モジュール式信号インターフェース装置及び関連する坑井内電力及びデータシステム |
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| 申请号 | JP2016503302 | 申请日 | 2014-03-15 | 公开(公告)号 | JP2016521451A | 公开(公告)日 | 2016-07-21 |
| 申请人 | ファーストキャップ・システムズ・コーポレイションFastCAP SYSTEMS Corporation; ファーストキャップ・システムズ・コーポレイションFastCAP SYSTEMS Corporation; | 发明人 | ジョン・ジェイ・クーリー; リッカルド・シニョレッリ; モリス・グリーン; ジョセフ・レイン; スシール・カラバトゥラ; クリストファー・ジョン・シボールド・ディーン; ジェイムズ・エプスタイン; カイル・フレミング; トム・ケイヒル; | ||||
| 摘要 | 高温で動作するように適合したエネルギー貯蔵装置と、エネルギー貯蔵構成要素を制御するとともに高温でびデータロギングの手段を提供するように動作するモジュール式 信号 のインターフェース装置とを含む、坑井内電 力 システムが設けられる。コントローラは、様々な組み合わせで所望の機能を提供するように選択されてもよい、予め組み立てられた構成要素から製造される。エネルギー貯蔵装置は少なくとも1つのウルトラキャパシタを含んでもよい。 | ||||||
| 权利要求 | 坑井内ツールへ電力を供給するためのモジュール式電力システムであって、 上記モジュール式電力システムは、 高温で再充電可能なエネルギー貯蔵装置(「HTRES」)と、 上記モジュール式電力システムに接続された坑井内ツールに供給される電力と、上記HTRESの充電放電サイクルとの少なくとも一方を制御するモジュール式信号インターフェース装置(「MSID」)モジュールとを備え、 上記MSIDは坑井内電源に接続するように適合されるモジュール式電力システム。上記HTRESは、摂氏約−40度と摂氏約210度との間の温度において動作可能な少なくとも1つのウルトラキャパシタを備える請求項1記載の電力システム。上記ウルトラキャパシタは、改良型電解質(「AES」)を備える高温ウルトラキャパシタであって、摂氏約75度と摂氏約210度との間の温度で動作可能である高温ウルトラキャパシタを備える請求項2記載の電力システム。摂氏約80度から摂氏約150度までの温度範囲内の所定温度において動作するように構成される請求項3記載の電力システム。上記AESは、高度に精製された電解質を含む請求項3〜4のいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、従来技術のエネルギー貯蔵装置に対して、次の特性、すなわち、減少した合計抵抗、増大した抵抗の長期安定性、増大した合計容量、増加した容量の長期安定性、増大したエネルギー密度、増大した電圧安定性、減少した気圧、それぞれのキャパシタについての拡大した温度範囲性能、それぞれのキャパシタについての増大した温度耐性、向上した製造容易性、及び改善された費用効果のうちの少なくとも1つを有する、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは正及び負の電極を備え、上記電極のうちの少なくとも1つは炭素を含むエネルギー貯蔵媒体を含む、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記炭素を含むエネルギー貯蔵媒体はカーボンナノチューブを含む請求項7記載の電力システム。上記炭素を含むエネルギー貯蔵媒体は、活性炭、カーボンファイバー、レーヨン、グラフェン、エアロゲル、カーボンクロス、及び複数の形態のカーボンナノチューブのうちの少なくとも1つを含む請求項7〜8に記載の電力システム。上記HTRESは、不純物含有量を減少させるように精製されたAESを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、約1000ppm未満のハロゲン化物イオンの含有量を有するAESを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記AESは、約500ppm未満のハロゲン化物イオンの含有量を有する請求項11記載の電力システム。上記AESは、約100ppm未満のハロゲン化物イオンの含有量を有する請求項11記載の電力システム。上記AESは、約50ppm未満のハロゲン化物イオンの含有量を有する請求項11記載の電力システム。上記HTRESは、約1000ppm未満の金属種の合計濃度を有するAESを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記金属種が、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、及びZn、及びそれらの合金及び酸化物からなるグループから選択された1以上の金属から選択される請求項15記載の電力システム。上記HTRESは、約1000ppm未満の不純物の合計濃度を有するAESを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記不純物は、ブロモエタン、クロロエタン、1−ブロモブタン、1−クロロブタン、1−メチルイミダゾール、エチルアセテート、及びメチレンクロライドからなるグループのうちの1以上から選択される請求項17記載の電力システム。上記HTRESは、約500ppm未満の合計水分含有量を有するAESを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記AESにおける合計水分含有量が約100ppm未満である請求項19に記載の電力システム。上記電解質における合計水分含有量が約50ppm未満である請求項19に記載の電力システム。上記電解質における合計水分含有量が約20ppmである請求項19に記載の電力システム。上記HTRESは、ハウジングを有するウルトラキャパシタを備え、上記ハウジングは、その内面の実質的部分にわたって配置されたバリアーを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記バリアーは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシ(PFA)、フッ素化エチレンプロピレン(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)のうちの少なくとも一種を含む請求項23記載の電力システム。上記バリアーはセラミック材料を含む請求項24記載の電力システム。上記バリアーは、耐食性、所望の誘電特性、及び低電気化学反応性を示す材料を含む請求項23〜25のうちのいずれかに記載の電力システム。上記バリアーは複数層の材料を含む請求項23〜26のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、多層材料を含むハウジングを有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記多層材料は、第2の材料の上にクラッディングされた第1の材料を含む請求項28に記載の電力システム。上記多層材料は、スチール、タンタル、およびアルミニウムのうちの少なくとも1つを含む請求項28〜29のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、少なくとも1つの半球状シールを備えるハウジングを有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、少なくとも1つのガラス−金属シールを備えるハウジングを有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記ガラス−金属シールのピンは、接点の1つである請求項32に記載の電力システム。上記ガラス−金属シールが、鉄−ニッケル−コバルト合金と、ニッケル鉄合金と、タンタルと、モリブデンと、ニオブと、タングステンと、ステンレス及びチタンの形態とからなるグループから選択された材料から構成されるフィードスルーを備える請求項32〜33のうちのいずれかに記載の電力システム。上記ガラス−金属シールは、ニッケル、モリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マンガン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素、及びタングステン、及びそれらの合金からなるグループから選択された少なくとも一種の材料から構成される本体を備える請求項32〜34のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、正の電極と負の電極との間を電気的に分離するためのセパレータを備えるエネルギー貯蔵セルを有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記セパレータは、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ガラスファイバー、ガラスファイバー強化プラスティック、もしくはこれらの任意の組み合わせからなるグループから選択された材料を含む請求項36に記載の電力システム。上記セパレータは実質的に水分を含まない請求項36〜37のうちのいずれかに記載の電力システム。上記セパレータは実質的に疎水性である請求項36〜38のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、約5.0×10−6 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す密閉シールを有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記密閉シールは、約5.0×10−7 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す請求項40に記載の電力システム。上記密閉シールは、約5.0×10−8 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す請求項40に記載の電力システム。上記密閉シールは、約5.0×10−9 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す請求項40に記載の電力システム。上記密閉シールは、約5.0×10−10 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す請求項40に記載の電力システム。上記HTRESは、少なくとも1つの接点を有するウルトラキャパシタを備え、上記接点は、他のウルトラキャパシタの他の接点と接続するように構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、その外部を覆うように配置されたラッパーを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記ラッパーはPTFE及びポリイミドの一方を含む請求項46記載の電力システム。上記HTRESは、上記温度範囲内で約1000mA/リットル未満の体積当たりの漏れ電流を有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。体積当たりの漏れ電流が、特定の電圧範囲にわたって約1000mA/リットル未満である請求項46に記載の電力システム。上記HTRESは、ハウジングを有するウルトラキャパシタを備え、 上記ハウジング内の水分レベルは約1000ppm未満である、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記ハウジング内の水分レベルは約500ppm未満である請求項50記載の電力システム。上記ハウジング内の水分レベルは約350ppm未満である請求項50記載の電力システム。上記HTRESは、電極を備えるウルトラキャパシタを備え、 上記電極における含水率は約1000ppm未満である、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記電極における含水率は約500ppm未満である請求項53記載の電力システム。上記電極における含水率は約350ppm未満である請求項53記載の電力システム。上記HTRESは、セパレータを備えるウルトラキャパシタを備え、 上記セパレータにおける含水率は約1000ppm未満である、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記セパレータにおける含水率は約500ppm未満である請求項56記載の電力システム。上記セパレータにおける含水率は約160ppm未満である請求項56記載の電力システム。上記HTRESはウルトラキャパシタを備え、 塩化物含有量は、電極、電解質、及びセパレータから成るグループから選択された、上記ウルトラキャパシタの構成要素のうちの少なくとも1つについて約300ppm未満である、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、実質的に一定温度に保持されている間に約10mA/cc未満の体積当たりの漏れ電流を有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記ウルトラキャパシタの体積当たりの漏れ電流は、実質的に一定温度に保持されている間に約1mA/cc未満である請求項60記載の電力システム。上記ウルトラキャパシタの体積当たりの漏れ電流は、実質的に一定温度に保持されている間に約0.001mA/cc未満である請求項60記載の電力システム。上記HTRESは、約6F/ccと約1mF/ccとの間の体積当たりの容量を有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、約10F/ccと約5F/ccとの間の体積当たりの容量を有するウルトラキャパシタを備える請求項1〜63のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、約50F/ccと約8F/ccとの間の体積当たりの容量を有するウルトラキャパシタを備える請求項1〜63のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、約20mΩ・ccと200mΩ・ccとの間の体積当たりの等価直列抵抗(ESR)を有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、約2mΩ・ccと150Ω・ccとの間の体積当たりのESRを有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、約1.5Ω・ccと200Ω・ccとの間の体積当たりのESRを有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、約150Ω・ccと2000Ω・ccとの間の体積当たりのESRを有するウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、少なくとも20時間にわたって一定電圧に保持されている間に、約60パーセント未満の容量低下を示すウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは、少なくとも20時間にわたって一定電圧に保持されている間に、約300パーセント未満のESR増加を示すウルトラキャパシタを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記電力システムは、ドリルストリングカラー上に、又はドリルストリングカラー内に装着するように構成されたハウジング構造物を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは接続回路基板を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDはクロスオーバー回路基板を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDはウルトラキャパシタ充電器回路を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDはウルトラキャパシタ管理システム回路を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは電子管理システム回路を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは、電源、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、及び電子管理システム回路に電気的に接続された接続回路基板の任意の組み合わせを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは円形回路基板を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは、上記円形回路基板を接続するためのスタッカ及びモジュール式バスをさらに備える請求項79記載の電力システム。上記HTRESは、アルミニウム電解キャパシタ、タンタルキャパシタ、セラミック及び金属フィルムキャパシタ、及びハイブリッドキャパシタからなるグループから選択された少なくとも1つのエネルギー貯蔵装置を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記電力システムは、負荷の電気的態様から電源の電気的態様を分離するように構成され、 上記電源及び負荷の電気的態様は、電圧、電流、及び瞬間の電力からなるグループから選択される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDはデータ記録のためにさらに構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDはデータ報告のためにさらに構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDはデータシステムとして構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。データは、衝撃、振動、ビット荷重(weight on bit:WOB)、ビットトルク(torque on bit:TOB)、アニュラー圧力及び温度、及び/又は坑サイズから選択される請求項83〜85のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは、システム健全性をモニタリング、記録、及び通信できるように構成される請求項83〜86のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは、高温におけるモジュラー回路の変形を低減させる封止材料で封止される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記封止材料は、摂氏約75度と摂氏210度との間の温度で上記MSIDの動作を容易にするために、十分な個数の膨張ボイドを有する請求項88記載の電力システム。上記MSIDは、電気的に接続されたデータ記憶装置保存をさらに備える先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記電力システムは、電源から流れる電流を低減させるために最適な安定最低電圧を採用するように構成され、 上記電圧は±2V以内で安定状態を維持する先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記安定最低電圧は約0Vから約10Vまでの範囲を有する請求項91記載の電力システム。上記安定最低電圧は約10Vから約20Vまでの範囲を有する請求項91記載の電力システム。上記安定最低電圧は約20Vから約30Vまでの範囲を有する請求項91記載の電力システム。上記安定最低電圧は約40Vから約50Vまでの範囲を有する請求項91記載の電力システム。上記安定最低電圧は約40Vから約50Vまでの範囲を有する請求項91記載の電力システム。上記安定最低電圧は約60Vから約100Vまでの範囲を有する請求項91記載の電力システム。上記電力システムは、ツールストリングへの配置に適したモジュール式ハウジングをさらに備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESは複数のHTRESセルを備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記HTRESはウルトラキャパシタストリングである、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。ワイヤーライン電源を備える電源をさらに備える、先行する請求項のうちのいずれかの電力システム。2つのバッテリーを備える電源をさらに備える、先行する請求項のうちのいずれかの電力システム。ワイヤーライン電源と1つのバッテリーとを備える電源をさらに備える、先行する請求項のうちのいずれかの電力システム。発電機を備える電源をさらに備える、先行する請求項のうちのいずれかの電力システム。上記電力システムは、電子回路、変圧器、増幅器、サーボ、プロセッサ、データ保存、ポンプ、モータ、センサ、熱的に調整可能なセンサ、光学センサ、トランスデューサ、光ファイバー、光源、シンチレータ、パルサー、油圧アクチュエータ、アンテナ、単一チャネルアナライザ、マルチチャネルアナライザ、放射線検出器、加速度計、及び磁力計のうちの少なくとも1つを備える負荷に電力を供給するように構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記電力システムは、約50W及び100Wの間の断続的な電力パルスを供給するように構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記電力システムは、坑井内ツールストリング及び関連付けられた電子回路への電圧安定性をもたらす、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは、坑井内状態に関連する情報をリアルタイムで通信するように構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記情報は、衝撃、振動、スティックスリップ、及び温度からなるグループから選択された少なくとも1つの状態に関する請求項108記載の電力システム。上記MSIDは、システム健全性のモニタリング、記録、及び通信を行うように構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは、充電モニタリングのバッテリー状態のモニタリング及び通信をリアルタイム又はオフラインで行うように構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。表面デコードシステムをさらに備える、先行する請求項のうちのいずれかの電力システム。上記電力システムは、モータパルサーを駆動する電力を供給するように構成される、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDはDクラス増幅器を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは、バック型、昇圧型、降昇圧型、cuk型、フォワード型、フライバック型、インダクタレス型、及びスイッチドキャパシタ型の電力変換器からなるグループから選択された少なくとも1つのスイッチモード電源を備える、先行する請求項のうちのいずれかに記載の電力システム。上記MSIDは約60%より大きな効率を有する請求項113〜114のうちのいずれかに記載の電力システム。上記効率は約70%より大きい請求項115記載の電力システム。上記効率は約80%より大きい請求項115記載の電力システム。上記効率は約90%より大きい請求項115記載の電力システム。上記効率は約95%より大きい請求項115記載の電力システム。電源から電力を受けるように適合され、データ記録を行うように構成されたMSIDと、 データを受信するように構成された1つ又は複数のセンサ回路と 高温で再充電可能なエネルギー貯蔵装置(HTRES)とを備えたデータシステムであって、 上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合されるデータシステム。上記記録されたデータは、ビットトルク(TOB)、ビット荷重(WOB)、温度、スティックスリップ、振れ回り、衝撃、振動、及びアニュラー圧力からなるグループから選択された坑井内状態に関連する少なくとも1つパラメータに対応する請求項120記載のデータシステム。上記MSIDは、加速度計、磁力計、センサ、トランスデューサ、ディジタル装置、及びアナログ装置からなるグループから選択された少なくとも1つの装置を備える請求項120〜121のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記記録されたデータは、ドリルストリングの回転速度を含む請求項120〜122のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記記録されたデータは、ドリルストリングの回転速度を含む請求項120〜123のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、摂氏約−40度と摂氏約210度との間の温度において動作可能な少なくとも1つのウルトラキャパシタを備える請求項120〜124のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記ウルトラキャパシタは、改良型電解質(「AES」)を備える高温ウルトラキャパシタであって、摂氏約75度と摂氏約210度との間の温度で動作可能である高温ウルトラキャパシタを備える請求項125記載のデータシステム。摂氏約80度から摂氏約150度までの温度範囲内の所定温度において動作するように構成される請求項125記載のデータシステム。上記AESは、高度に精製された電解質を含む請求項126〜127のいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、従来技術のエネルギー貯蔵装置に対して、次の特性、すなわち、減少した合計抵抗、増大した抵抗の長期安定性、増大した合計容量、増加した容量の長期安定性、増大したエネルギー密度、増大した電圧安定性、減少した気圧、それぞれのキャパシタについての拡大した温度範囲性能、それぞれのキャパシタについての増大した温度耐性、向上した製造容易性、及び改善された費用効果のうちの少なくとも1つを有する請求項120〜128のいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは正及び負の電極を備え、上記電極のうちの少なくとも1つは炭素を含むエネルギー貯蔵媒体を備える請求項120−129のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記炭素を含むエネルギー貯蔵媒体はカーボンナノチューブを含む請求項120〜130のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記炭素を含むエネルギー貯蔵媒体は、活性炭、カーボンファイバー、レーヨン、グラフェン、エアロゲル、カーボンクロス、及び複数の形態のカーボンナノチューブのうちの少なくとも1つを含む請求項130〜131に記載のデータシステム。上記HTRESは、不純物含有量を減少させるように精製されたAESを備える請求項120〜132のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、約1000ppm未満のハロゲン化物イオンの含有量を有するAESを備える請求項120〜133のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記AESは、約500ppm未満のハロゲン化物イオンの含有量を有する請求項134記載のデータシステム。上記AESは、約100ppm未満のハロゲン化物イオンの含有量を有する請求項134記載のデータシステム。上記AESは、約50ppm未満のハロゲン化物イオンの含有量を有する請求項134記載のデータシステム。上記HTRESは、約1000ppm未満の金属種の合計濃度を有するAESを備える請求項120〜137のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記金属種が、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、及びZn、及びそれらの合金及び酸化物からなるグループから選択された1以上の金属から選択される請求項138記載のデータシステム。上記HTRESは、約1000ppm未満の不純物の合計濃度を有するAESを備える請求項120〜139のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記不純物は、ブロモエタン、クロロエタン、1−ブロモブタン、1−クロロブタン、1−メチルイミダゾール、エチルアセテート、及びメチレンクロライドからなるグループのうちの1以上から選択される請求項140記載のデータシステム。上記HTRESは、約500ppm未満の合計水分含有量を有するAESを備える請求項120〜141のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記AESにおける合計水分含有量が約100ppm未満である請求項142に記載のデータシステム。上記電解質における合計水分含有量が約50ppm未満である請求項142に記載のデータシステム。上記電解質における合計水分含有量が約20ppmである請求項142に記載のデータシステム。上記HTRESは、ハウジングを有するウルトラキャパシタを備え、上記ハウジングは、その内面の実質的部分にわたって配置されたバリアーを備える請求項120〜145のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記バリアーは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシ(PFA)、フッ素化エチレンプロピレン(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)のうちの少なくとも一種を含む請求項146記載のデータシステム。上記バリアーはセラミック材料を含む請求項146記載のデータシステム。上記バリアーは、耐食性、所望の誘電特性、及び低電気化学反応性を示す材料を含む請求項146〜148のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記バリアーは複数層の材料を含む請求項146〜149のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、多層材料を含むハウジングを有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜150のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記多層材料は、第2の材料の上にクラッディングされた第1の材料を含む請求項151に記載のデータシステム。上記多層材料は、スチール、タンタル、およびアルミニウムのうちの少なくとも1つを含む請求項151〜152のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、少なくとも1つの半球状シールを備えるハウジングを有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜153のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、少なくとも1つのガラス−金属シールを備えるハウジングを有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜154のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記ガラス−金属シールのピンは、接点の1つである請求項155に記載のデータシステム。上記ガラス−金属シールが、鉄−ニッケル−コバルト合金と、ニッケル鉄合金と、タンタルと、モリブデンと、ニオブと、タングステンと、ステンレス及びチタンの形態とからなるグループから選択された材料から構成されるフィードスルーを備える請求項155〜156のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記ガラス−金属シールは、ニッケル、モリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マンガン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素、及びタングステン、及びそれらの合金からなるグループから選択された少なくとも一種の材料から構成される本体を備える請求項155〜157のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、正の電極と負の電極との間を電気的に分離するためのセパレータを備えるエネルギー貯蔵セルを有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜158のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記セパレータは、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ガラスファイバー、ガラスファイバー強化プラスティック、もしくはこれらの任意の組み合わせからなるグループから選択された材料を含む請求項159に記載のデータシステム。上記セパレータは実質的に水分を含まない請求項159〜160のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記セパレータは実質的に疎水性である請求項159〜161のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、約5.0×10−6 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す密閉シールを有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜162のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記密閉シールは、約5.0×10−7 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す請求項163記載のデータシステム。上記密閉シールは、約5.0×10−8 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す請求項163記載のデータシステム。上記密閉シールは、約5.0×10−9 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す請求項163記載のデータシステム。上記密閉シールは、約5.0×10−10 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す請求項163記載のデータシステム。上記HTRESは、少なくとも1つの接点を有するウルトラキャパシタを備え、上記接点は、他のウルトラキャパシタの他の接点と接続するように構成される請求項120〜167のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、その外部を覆うように配置されたラッパーを備える請求項120〜168のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記ラッパーはPTFE及びポリイミドの一方を含む請求項169記載のデータシステム。上記HTRESは、前記温度範囲内で約1000mA/リットル未満の体積当たりの漏れ電流を有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜170のうちのいずれかに記載のデータシステム。体積当たりの漏れ電流が、特定の電圧範囲にわたって約1000mA/リットル未満である請求項171に記載のデータシステム。上記HTRESは、ハウジングを有するウルトラキャパシタを備え、 上記ハウジング内の水分レベルは約1000ppm未満である 請求項120〜172のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記ハウジング内の水分レベルは約500ppm未満である請求項173記載のデータシステム。上記ハウジング内の水分レベルは約350ppm未満である請求項173記載のデータシステム。上記HTRESは、電極を備えるウルトラキャパシタを備え、 上記電極における含水率は約1000ppm未満である 請求項120〜175のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記電極における含水率は約500ppm未満である請求項176記載のデータシステム。上記電極における含水率は約350ppm未満である請求項176記載のデータシステム。上記HTRESは、セパレータを備えるウルトラキャパシタを備え、 上記セパレータにおける含水率は約1000ppm未満である請求項120〜178のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記セパレータにおける含水率は約500ppm未満である請求項179記載のデータシステム。上記セパレータにおける含水率は約160ppm未満である請求項179記載のデータシステム。請求項120〜129のうちのいずれかに記載のデータシステム。 上記HTRESはウルトラキャパシタを備え、 塩化物含有量は、電極、電解質、及びセパレータから成るグループから選択された、上記ウルトラキャパシタの構成要素のうちの少なくとも1つについて約300ppm未満である請求項120〜181のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、実質的に一定温度に保持されている間に約10mA/cc未満の体積当たりの漏れ電流を有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜182のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記ウルトラキャパシタの体積当たりの漏れ電流は、実質的に一定温度に保持されている間に約1mA/cc未満である請求項183記載のデータシステム。上記ウルトラキャパシタの体積当たりの漏れ電流は、実質的に一定温度に保持されている間に約0.001mA/cc未満である請求項183記載のデータシステム。上記HTRESは、約6F/ccと約1mF/ccとの間の体積当たりの容量を有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜185のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、約10F/ccと約5F/ccとの間の体積当たりの容量を有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜185のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、約50F/ccと約8F/ccとの間の体積当たりの容量を有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜185のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、約20mΩ・ccと200mΩ・ccとの間の体積当たりの等価直列抵抗(ESR)を有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜188のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、約2mΩ・ccと150Ω・ccとの間の体積当たりのESRを有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜188のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、約1.5Ω・ccと200Ω・ccとの間の体積当たりのESRを有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜188のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、約150Ω・ccと2000Ω・ccとの間の体積当たりのESRを有するウルトラキャパシタを備える請求項120〜188のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、少なくとも20時間にわたって一定電圧に保持されている間に、約60パーセント未満の容量低下を示すウルトラキャパシタを備える請求項120〜192のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは、少なくとも20時間にわたって一定電圧に保持されている間に、約300パーセント未満のESR増加を示すウルトラキャパシタを備える請求項120〜192のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記データシステムは、ドリルストリングカラー上に、又はドリルストリングカラー内に装着するように構成されたハウジング構造物を備える請求項120〜194のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは接続回路基板を備える請求項120〜195のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDはクロスオーバー回路基板を備える請求項120〜195のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDはウルトラキャパシタ充電器回路を備える請求項120〜197のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDはウルトラキャパシタ管理システム回路を備える請求項120〜198のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは電子管理システム回路を備える請求項120〜199のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは、電源、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、及び電子管理システム回路に電気的に接続された接続回路基板の任意の組み合わせを備える請求項120〜200のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは円形回路基板を備える請求項120〜201のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは、上記円形回路基板を接続するためのスタッカ及びモジュール式バスをさらに備える請求項202記載のデータシステム。上記HTRESは、アルミニウム電解キャパシタ、タンタルキャパシタ、セラミック及び金属フィルムキャパシタ、及びハイブリッドキャパシタからなるグループから選択された少なくとも1つのエネルギー貯蔵装置を備える請求項120〜203のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは、システム健全性をモニタリング、記録、及び通信できるように構成される請求項206〜209のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは、高温におけるモジュラー回路の変形を低減させる封止材料で封止される、請求項120〜210のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記封止材料は、摂氏約75度と摂氏210度との間の温度で上記MSIDの動作を容易にするために、十分な個数の膨張ボイドを有する請求項211記載のデータシステム。上記MSIDは、電気的に接続されたデータ記憶装置保存をさらに備える請求項120〜212のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記データシステムは、ツールストリングへの配置に適したモジュール式ハウジングをさらに備える請求項120〜213のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESは複数のHTRESセルを備える請求項120〜214のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記HTRESはウルトラキャパシタストリングである請求項120〜215のうちのいずれかに記載のデータシステム。ワイヤーライン電源を備える電源をさらに備える請求項120〜216のうちのいずれかに記載のデータシステム。2つのバッテリーを備える電源をさらに備える請求項120〜217のうちのいずれかに記載のデータシステム。ワイヤーライン電源と1つのバッテリーとを備える電源をさらに備える請求項120〜218のうちのいずれかに記載のデータシステム。発電機を備える電源をさらに備える請求項120〜219のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは、坑井内状態に関連する情報をリアルタイムで通信するように構成される請求項120〜220のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記情報は、衝撃、振動、スティックスリップ、及び温度からなるグループから選択された少なくとも1つの状態に関する請求項221記載のデータシステム。上記MSIDは、システム健全性のモニタリング、記録、及び通信を行うように構成される請求項120〜222のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは、充電モニタリングのバッテリー状態のモニタリング及び通信をリアルタイム又はオフラインで行うように構成される請求項120〜223のうちのいずれかに記載のデータシステム。表面デコードシステムをさらに備える請求項120〜224のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDはDクラス増幅器を備える請求項120〜225のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは、バック型、昇圧型、降昇圧型、cuk型、フォワード型、フライバック型、インダクタレス型、及びスイッチドキャパシタ型の電力変換器からなるグループから選択された少なくとも1つのスイッチモード電源を備える請求項120〜226のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記MSIDは約60%より大きな効率を有する請求項226〜227のうちのいずれかに記載のデータシステム。上記効率は約70%より大きい請求項228記載のデータシステム。上記効率は約80%より大きい請求項228記載のデータシステム。上記効率は約90%より大きい請求項228記載のデータシステム。上記効率は約95%より大きい請求項228記載のデータシステム。請求項120〜232のうちのいずれかに記載のデータシステムを使用することを含む、掘削動力学の効率を改善する方法。電源から負荷への電力をバッファリングする方法であって、 請求項1〜119のうちのいずれかに記載の電力システムに電源を電気的に接続することと、 電力が電源から負荷にバッファリングされるように、上記電力システムを負荷に電気的に接続することとを含む方法。 |
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| 说明书全文 | 概して、坑井内環境中の装置へ電力を供給するシステム及び方法が説明される。 本願は、2013年3月15日に出願された米国出願シリアル番号第13/843,746号と、2013年10月8日に出願された米国仮出願シリアル番号第61/888,133号とに基づく優先権を主張し、これらの全体は参照によってここに組み込まれる。 人々及び会社が石油の探索及び採掘を続けるとき、炭化水素の探究はますます複雑になってきている。例えば、「容易に採掘できる石油(easy oil)」が概して採り尽くされ、今日の探査では、地中深くへ坑井を掘削することで以前よりもずっと深くまで探索することを必要としているのは周知である。坑井を掘削することにより、個人及び会社が地下の物質を評価して所望の炭化水素を抽出できるようになる一方で、これらの過酷な環境では多くの課題に遭遇する。ここで、坑井内温度は、摂氏300度まで又はそれよりも高い温度までの範囲にわたる可能性がある。 坑井の掘削及び記録が地殻へより深く進入して行われるとき、坑井内機器の高温環境への露出が増大し続ける。さらに、今日の装置類は、概して、そのような環境で動作するように作られているわけではなく、この範囲内の周囲の温度に達するずっと前に故障するだろう。この複雑な事情により、あらゆる種類の複雑な装置類を生じさせた。技術の他のセグメントと一致して、装置類の複雑さの増大は、増大した電力需要をユーザにもたらす。 特に、上昇した温度は、多くの場合、従来のシステムが故障する技術的な制限をもたらす。例えば、電子回路及びエネルギー貯蔵装置を備える従来の電力システムは、従来のエネルギー貯蔵装置又は従来の電子回路の劣化又は破壊のいずれかに起因して、坑井内環境で生じる温度で故障するだろう。さらに、改善された装置類のシステムは、多くの場合、より大きな能力の電力システムを要求する。 そのため、摂氏約200度まで又はそれより高い温度の高温環境における坑井内動作のためのエネルギー貯蔵装置を備える電力システムに対する必要性が高まっている。好ましくは、エネルギー貯蔵装置は、従来の装置が有用な電力の供給に失敗する場合、例えば、安全に関連した事項又は機能的制限、例えば電気的特性により、従来のエネルギー貯蔵装置の有効な使用を妨げる場合には、ユーザに電力を供給するだろう。 米国特許公開第2013/0236764A1号明細書。
本発明は、モジュール式信号インターフェース装置及び関連する坑井内電力及びデータシステムを提供する。 従って、様々な実施形態は、エネルギー貯蔵構成要素を含み、ある実施形態ではモジュール式信号インターフェース装置(modular signal interface device:MSID)を含む坑井内電源システムに関する。本明細書で使用されるように、モジュール式信号インタフェース装置は、多数の目的及び変化した目的のために動作してもよい。例えば、ある実施形態では、MSIDは、エネルギー貯蔵構成要素を制御してもよい。ある実施形態では、MSIDはデータを記録してもよい。エネルギー貯蔵装置構成要素及び/又はMSIDは、いくつかの実施形態では、高温で動作するように構成されてもよい。 MSIDは、様々な組み合わせで所望の機能を提供するように選択されてもよい、予め組み立てられた構成要素から製造される。 ある実施形態では、エネルギー貯蔵構成要素は、少なくとも1つのウルトラキャパシタを含んでもよい。 1つの態様において、本発明は、MSIDと、上記MSIDを収容してツールストリングの中へ配置するように構成されたハウジング構造物とを備えるシステムを提供する。 他の態様において、本発明は、MSIDと、上記MSIDを収容してカラーの上又はカラーの中に装着するように構成されたハウジング構造物とを備えるシステムを提供する。 他の態様において、本発明は電力システムを提供し、上記システムは、本明細書に開示されるようなMSIDと、高温で再充電可能なエネルギー貯蔵装置(「HTRES」)と、ツールストリングの中に配置するために上記MSID及びHTRESをともに収容するハウジング構造物とを備える。 他の態様において、本発明はデータシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、データ記録及び/又は報告を行うように構成されたコントローラと、データを受信するように構成された1つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、データシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、掘削の最適化を行うように構成されたコントローラと、掘削データをリアルタイムで受信するように構成され、掘削動力学の修正に適合した1つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、データシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、ビットトルク(TOB)を決定するように構成されたコントローラと、データを受信するように構成された1つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、データシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、ビット荷重(WOB)を決定するように構成されたコントローラと、データを受信するように構成された1つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、データシステムを提供し、上記システムは、電源から電力を受けるように適合され、温度センサ(例えば、変化する抵抗によって温度を示す測温抵抗体(RTD))によって温度を決定するように構成されたコントローラと、データを受信するように構成された1つ又は複数のセンサ回路とを備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、HTRESと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、上記電源からの入力電力と出力HTRES電圧とを制御するように構成された少なくとも1つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、HTRESと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え。上記コントローラは、バッテリー消費を30%より大きく低減するように構成された少なくとも1つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、HTRESと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、バッテリー動作時間を50%より大きく増大させるように構成された少なくとも1つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、HTRESと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、動作効率を90%より大きく増大させるように構成された少なくとも1つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、HTRESと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、上記バッテリーから一定電流を引き出し、及びバッテリー放電時に一定出力電圧を証じっセルように構成されたすように構成されたモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、上記システムは、HTRESと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを備え、上記コントローラは、上記電源からの入力電流と出力HTRES電圧とを制御するように構成された少なくとも1つのモジュール式回路を備え、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 他の態様において、本発明は、本明細書で説明した任意のデータシステムを使用することを含む掘削動力学の効率を改善する方法を提供する。 他の態様において、本発明は、電力システムを製造する方法を提供し、上記方法は、HTRESと、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電の少なくとも一方を制御するためのコントローラとを選択することを含み、上記コントローラは、電源から負荷への電力のバッファリングを制御するように構成された少なくとも1つのモジュール式回路を備え、上記方法は、本明細書で説明した電力システムのように、上記HTRES及びコントローラをハウジングに組み込むことを含む。 他の態様において、本発明は、電源から負荷に電力をバッファリングする方法を提供し、上記方法は、電源を、ここで説明した請求項に係る任意の電力システムに電気的に接続することと、電力が電源から負荷にバッファリングされるように、上記電力システムを負荷に電気的に接続することとを含む。 他の態様において、本発明は、データシステムを製造する方法を提供し、上記方法は、電源から電力を受けるように適合し、データ記録及び/又は報告を行うように構成されたコントローラと、データを受信する(例えばさらに解釈する)ように構成された1つ又は複数のセンサ回路とを選択することを含み、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合され、上記方法は、ここで説明した請求項に係るデータシステムのように、コントローラ及び上記センサをハウジングに組み込むことを含む。 他の態様において、本発明は、データ記録及び/又は報告を行うための方法を提供し、上記方法は、データ記録及び/又は報告が可能にされるように、電源を、本明細書で説明した任意のデータシステムに電気的に接続することを含む。 他の優位点及び新規な特徴は、添付の図面とともに考慮したとき、様々な非限定的な実施形態についての以下の詳細な説明から明らかになるであろう。 本明細書と参照によって含まれた文献とが矛盾及び/又は不整合な開示を含む場合には、本明細書が優先するものとする。 検層装置を含むドリルストリングの例示的な実施形態を示す図である。 ワイヤーラインによって展開される装置で検層を行う例示的な実施形態を示す図である。 例示的なウルトラキャパシタの態様を示す図である。 例示的なウルトラキャパシタに含まれうるカチオンの1次構造の実施形態を示す図である。 例示的なウルトラキャパシタのハウジングの実施形態を表す図である。 例示的なキャパシタの貯蔵セルの実施形態を示す図である。 ハウジングの例示的な本体の内部に配置されたバリアーを示す図である。 ハウジングのための例示的なキャップの態様を示す図である。 ハウジングのための例示的なキャップの態様を示す図である。本明細書では、図8A及び図8Bをまとめて図8と呼ぶ。 本明細書のある教示内容に係るウルトラキャパシタの例示的な組み立てを示す図である。 モジュール式ハウジングシステムを組み立てた状態で示す図である。 モジュール式ハウジングシステムを分解した状態で示す図である。本明細書では、図10A及び図10Bをまとめて図10と呼ぶ。 ある実施形態に係る、貯蔵セルのまわりにラッパーとして配置されたバリアーを示す図である。 多層材料を含むキャップの例示的な実施形態を示す図である。 多層材料を含むキャップの例示的な実施形態を示す図である。 多層材料を含むキャップの例示的な実施形態を示す図である。本明細書では、図12A、図12B、及び図12Cをまとめて図12と呼ぶ。 いくつかの実施形態に係る、ガラス−金属シールを含む電極アセンブリの断面図である。 図12Bの例示的なキャップに設置された、図13の例示的な電極アセンブリの断面図である。 エネルギー貯蔵セルの例示的な構成を組み立て過程において示す図である。 ある実施形態に係る組み立てられたエネルギー貯蔵セルを示す図である。 ある実施形態に係る組み立てられたエネルギー貯蔵セルを示す図である。 ある実施形態に係る組み立てられたエネルギー貯蔵セルを示す図である。本明細書では、図16A、図16B、及び図16Cをまとめて図16と呼ぶ。 例示的な電極アセンブリ上におけるポリマー絶縁体の使用を示す図である。 エネルギー貯蔵装置のためのキャップの他の実施形態のための例示的なテンプレートの態様を示す図である。 エネルギー貯蔵装置のためのキャップの他の実施形態のための例示的なテンプレートの態様を示す図である。 エネルギー貯蔵装置のためのキャップの他の実施形態のための例示的なテンプレートの態様を示す図である。本明細書では、図18A、図18B、及び図18Cをまとめて図18と呼ぶ。 ある実施形態に係る、半球形材料を含む電極アセンブリの斜視図である。 図18Cのテンプレートに設置された図19の電極アセンブリを含む例示的なキャップの斜視図である。 図20のキャップの断面図である。 円柱形ハウジングに配置された例示的なエネルギー貯蔵セルの等角透視図である。 巻回された貯蔵セルの形態に巻回される前における、例示的なエネルギー貯蔵セルの実施形態の等角図である。 一実施形態の様々な層を示す貯蔵セルの側面図である。 いくつかの実施形態に係る、巻回された貯蔵セルであって、複数のリード線を配置するための基準マークを含む貯蔵セルの等角図である。 巻回される前の、基準マークを有する図25の例示的な貯蔵セルの等角図である。 複数のリード線を含む、例示的な巻回された貯蔵セルを示す図である。 ある実施形態に係る、貯蔵セルに接続された整列したリード線(すなわち端子)へ与えられたZ折り曲げを示す図である。 本明細書で説明される例示的なウルトラキャパシタストリングを、アセンブリの所定の構成要素を強調して示す図である。 例示的なウルトラキャパシタストリングを、複数のウルトラキャパシタからなる3本のストランドパックアセンブリとして示す図である。 過大な内部空間がない場合のセルアセンブリを示す図である。 過大な内部空間を有する場合のセルアセンブリを示す図である。 モジュール式ボードスタッカを、ヘッダ及びレセプタクルを備えるバスコネクタとして示す図である。 ウルトラキャパシタ管理システムの態様を示す図である。 本明細書に開示されたシステムの例示的な実施形態を示す図である。 通信プロトコルに関するフロー図を示す図である。 モータの回路モデルを示す図である。 モータ制御に関するフロー図を示す図である。 加速度計の構成を示す図である。 加速度計の構成を示す図である。本明細書では、図38A及び図38Bをまとめて図38と呼ぶ。 ハウジングの一部を除去して内部構成要素を示す、坑井内システムを示す図である。 本明細書に開示されたMSIDに基づく装置、システム、及び方法を示す、例示的な電流及び電圧データを示す図である。 本明細書に開示されたMSIDに基づく装置、システム、及び方法を示す、例示的な電流及び電圧データを示す図である。本明細書では、図40A及び図40Bをまとめて図40と呼ぶ。
本発明とみなされる内容は、特に、本明細書に添付された特許請求の範囲において指摘され、はっきりと記載されている。本発明の上述の及び他の特徴および利点は、添付の図面と一緒に理解される下記の詳細な説明から明らかになる。添付の図面は概略的であり、縮尺どおりに描かれることは意図されない。図面において、図示した同一又はほとんど同一の各構成要素は、典型的には、単一の数字によって表される。明瞭さを目的として、当業者が本発明を理解できるようにするために図解が不要である場合には、すべての図のすべての構成要素にラベルが付与されるわけではなく、また、各実施形態のすべての構成要素が図示されるわけではない。 本明細書に開示されたものは、エネルギー貯蔵装置を含み、ある実施形態ではモジュール式信号インターフェース装置を含む、坑井内システムの様々な実施形態に関する。モジュール式信号インターフェース装置は、例えば、エネルギー貯蔵構成要素を制御するために使用されてもよい。ある実施形態において、モジュール式信号インターフェース装置は、データの記録及び/又は報告を行うことができる。エネルギー貯蔵装置及び/又はモジュール式信号インターフェース装置は、いくつかの実施形態では、高温で動作するように構成されてもよい。一部のシステムは電力システムであってもよい。システムは、以前に達成された坑井より大きな能力をユーザに提供する。そのようなシステムは、坑井内環境で使用する場合について具体的に示しているが、飛行機、自動車などのエンジン区画、又はエネルギー生成プラント/タービンのような、同様の環境が存在する任意の用途で使用されてもよい。しかしながら、坑井内電力システム及び使用方法のコンテキストを提供するために、いくつかの背景情報及び定義が提供される。 1. 定義 本明細書に開示された1つ又は複数の実施形態の坑井要素を導入するとき、冠詞「1つの(a)」、「1つの(an)」、及び、「その(the)」は、1以上の構成要素が存在することを意味することを意図している。同様に、形容詞「もう1つの」は、ある構成要素を導入するために使用されるとき、1以上の構成要素を意味することを意図している。用語「含む(including)」、「有する(has)」、「有している(having)」は、包括的であることを意図しており、リストされた構成要素以外の付加的な構成要素が存在してもよい。 語句「及び/又は」は、本明細書では慣行により、「及び」と「又は」のいずれかを別個の実施形態として記述するように使用される。例えば、A、B、及び/又はCをリストしたものにおいて、それは、A、B、及びCと、A、B、又はCとの両方を意味することが意図される。ここで、A、B、又はCのそれぞれは別個の実施形態とみなされ、リストにおけるそれぞれは単に便宜的に集められている。本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、「又は」は、上で定義された「及び/又は」と同じ意味を有するように理解されるべきである。例えば、リストにおける品目を分離するとき、「又は」もしくは「及び/又は」は包括的である、すなわち、多数の構成要素又は構成要素リストのうちの少なくとも1つを含むが、1つよりも多くを含むこともあり、オプションで、リストされていない追加の品目を含む、と解釈されるものとする。そうではないと明確に示した用語、例えば、「…のうちのただ1つ」又は「…のうちのきっかり1つ」、又は、請求項で使用されたときの「…からなる」などの用語は、多数の構成要素又は構成要素リストのうちのきっかり1つを含むことを示す。概して、本明細書に使用された用語「又は」は、「いずれか」、「…のうちの1つ」、「…のうちのただ1つ」、又は「…のうちのきっかり1つ」のような排他的であることを示す用語が先にある場合、排他的な選択肢(すなわち、「一方又は他方であrが、両方ではない)を示すと解釈されるものとする。「本質的に…からなる」は、請求項で使用されたとき、特許法の分野で使用されるその通常の意味を有するものとする。 用語「アルケニル」や「アルキニル」は当該技術分野において認識され、また、これらの用語は、同様の長さを有し、後述のアルキルに対する可能な置換を含むが、少なくとも1つの二重結合もしくは三重結合をそれぞれ含む飽和脂肪族基を意味する。 用語「アルキル」は当該技術分野において認識され、また、この用語は、直鎖アルキル基、分岐鎖アルキル基、シクロアルキル(脂環式)基、アルキル置換シクロアルキル基、及び、シクロアルキル置換されたアルキル基を含む、飽和脂肪族基を含んでもよい。ある実施形態において、直鎖または分枝鎖アルキルは、その主鎖において約20個以下の炭素原子を有する(例えば、直鎖ではC1−C20、分枝鎖ではC1−C20)。同様に、シクロアルキルは、それらの環状構造において約3〜約10個の炭素原子を有し、代替として、環状構造において約5、6、又は7個の炭素を有する。アルキル基の例は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、エチルヘキシル、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシル等を含むが、これらに限定するものではない。 本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、1つ又は複数の構成要素のリストに関して使用される語句「少なくとも1つ」は、構成要素のリストにおける構成要素のうちの任意の1つ又は複数から選ばれた少なくとも1つの構成要素を意味するように理解されるべきであるが、構成要素のリスト内に具体的にリストされた全構成要素それぞれのうちの少なくとも1つを必ずしも含まず、また、構成要素のリスト中の構成要素の任意の組み合わせを除外しない。この定義は、語句「少なくとも1つ」が表す構成要素のリスト内で具体的に識別される構成要素以外の構成要素が、それらの具体的に識別された構成要素に関連しているか無関係であるかにかかわらず、オプションで存在してもよいということを許容する。したがって、非限定的な例示として、「A及びBの少なくとも1つ」(又は同義の「A又はBの少なくとも1つ」、又は同義の「A及び/又はBの少なくとも1つ」)は、例えば、ある実施形態では、Bを含まず(オプションでB以外の構成要素を含み)、オプションで1つよりも多数を含む少なくとも1つのAを表すことができ、もう1つの実施形態では、Aを含まず(オプションでA以外の構成要素を含み)、オプションで1つよりも多数を含む少なくとも1つのBを表すことができ、さらにもう1つの実施形態では、オプションで1つよりも多数を含む少なくとも1つのAと、オプションで1つよりも多数を含む少なくとも1つのB(オプションで他の構成要素を含む)とを表すことができる。 表現「逆起電力」は、当該技術分野において認識され、また、この用語は、回転子の速度及び位置に応じて変化する誘導電圧を示す。 本明細書で使用された用語「バッファ」は、本明細書で説明するシステム、例えば本明細書で説明する電力システムのコンテキストで使用されるとき、概して、上記システムの第1の入力又は出力の態様(例えば少なくとも1つ態様を)上記システムの第2の入力又は出力の1つの態様から分離することに関する。例示的な態様は、電圧、電流、電力、周波数、位相などを含む。本明細書で使用されるバッファリング、バッファ、電力バッファ、ソースバッファなどの用語は、概して、上で定義したバッファの概念に関連する。 本明細書で使用されるように、用語「セル」は、ウルトラキャパシタセルを示す。 本明細書で使用されているように、「クラッド」、「クラッディング」等の用語は、異種金属を互いに接合することを意味する。クラッディングはしばしば、ダイ(または金型)を通して2つの金属を押し出すこと、および高圧下でシートを一緒にプレスまたは圧延することにより達成される。レーザクラッディング等の他のプロセスを用いても良い。その結果は、複数の層からなる材料のシートであり、材料の複数の層は、材料が単一のシートとして作用できるように一緒に接合されている(例えば、均一な材料の単一のシートが形成されるように形成される)。 監修的には、「汚染物質」は、導入された場合にウルトラキャパシタ10の性能に悪影響を及ぼす可能性がある任意の望まれない材料として定義されてよいと考えてよい。また、本明細書において一般に、汚染物質は100万分の1(ppm)等の濃度で評価される可能性があることに注意する。当該濃度は、重量、体積、サンプル重量、もしくは適切であると認められる他の任意の方法により算出されてもよい。 本明細書で使用されるように、電源を参照した用語「制御」の使用は、概して、電源の性能を管理することに関する。しかしながら、いくつかの実施形態において、「制御」は、電源の性能のモニタリングを行うように解釈されてもよい。モニタリングは、例えば、さもないと、電源の使用の態様を制御する(例えば、有用な充電が消費されたことを充電状態が示す場合、電源を回収する)ために、有用である可能性がある。従って、用語「制御」、「制御する」などは、意図されているかさもなければ明示されている可能性があるそのような追加の解釈をカバーするように、広く解釈されるべきである。 用語「シアノ」には、当該技術分野における通常の意味が与えられ、官能基CNを示す。用語「硫酸塩」は、当該技術分野におけるその通常の意味が与えられ、SO2基を指す。用語「スルホン酸塩」には、当該技術分野における通常の意味が与えられ、官能基SO3Xを表す。ここで、Xは、電子対、水素、アルキル、シクロアルキルであってもよい。用語「カルボニル」は当該技術分野において認識され、C=O基を表す。 語句「坑井内状態」又は「坑井内環境」は、《《《高温及び/又は衝撃及び振動を有する環境にさらされた機器によって経験される概略的な状態を記述するために本明細書で交換可能に使用されてもよい。ここで、高温は、例えば摂氏75度を超え、例えば摂氏100度を超え、例えば摂氏125度を超え、例えば摂氏150度を超え、例えば摂氏175度を超え、例えば摂氏200度を超える。衝撃及び振動は、例えば5Gを超え、例えば10Gを超え、例えば20Gを超え、例えば50Gを超え、例えば100Gを超える。 「エネルギー密度」は、ピーク装置電圧の2乗の半分に装置容量を乗算して、装置の質量もしくは体積で除算したものである。 本明細書において議論しているように、「密閉」とは、その性能(すなわち、漏れレート)が「atom−cc/秒」の単位で定義される封止(シール)を示す。これは、周囲の気圧及び温度において、1秒当たりに1立方センチメートルのガス(例えばHe)を意味する。これは、「標準He−cc/秒」の単位における表現と等価である。さらに、1atm−cc/秒は、1.01325ミリバール−リットル/秒と等しい。 用語「ヘテロアルケニル」および「ヘテロアルキニル」は、当該技術分野において認識され、1以上の原子がヘテロ原子(例えば、酸素、窒素、硫黄等)である本明細書に記載のアルケニルおよびアルキニルアルキル基を指す。 用語「ヘテロアルキル」は、当該技術分野において認識され、1以上の原子がヘテロ原子(例えば、酸素、窒素、硫黄等)である本明細書に記載されたアルキル基を示す。例えば、アルコキシ基(例えば、−OR)は、ヘテロアルキル基である。 用語「発見的」は、当該技術分野において認識され、概して、問題解決のための経験に基づく技術を表す。 慣行では、用語「内部抵抗」、「実効直列抵抗(effective series resistance)」、及び「ESR」、すなわち、装置の抵抗の態様を示すために当該技術分野において知られている用語は、本明細書で交換可能に使用される。 慣行では、用語「漏れ電流」は、概して、予め決められた時間期間の後に測定された、キャパシタによって流れた電流を示す。この測定は、キャパシタ端子が実質的に固定された電位差(端子電圧)に保持されているときに実行される。漏れ電流を評価する際、典型的な時間期間は72時間であるが、異なる期間を使用してもよい。従来技術に係るキャパシタの漏れ電流は、概して、エネルギー貯蔵媒体の体積及び表面積の増大と、それにともなうハウジングの内側表面積の増大とに応じて増大することに注意する。概して、増大する漏れ電流は、ウルトラキャパシタ10内の反応レートが徐々に増加することを示していると考えられる。漏れ電流の性能要件は、概して、特定の用途において広く行き渡っている環境状態により定義される。例えば、20ccの体積を有するウルトラキャパシタ10に関しては、漏れ電流の事実上のリミットは、200mA未満まで低下するであろう。 キャパシタの「寿命」もまた一般に、特定の用途によって定義され、典型的には、漏れ電流における所定割合の増加によって、または、容量もしくは内部抵抗などの(与えられた用途で適切であるか又は決定力がある)別のパラメータの劣化によって示される。例えば、一実施形態において、自動車用途におけるキャパシタの寿命は、漏れ電流がその初期(寿命の初期(beginning of life)または「BOL」)値の200%に増大した時間として定義されてよい。他の例においては、石油及びガスの用途におけるキャパシタの寿命は、次のいずれかが起こる時間として定義してもよい:容量がそのBOL値の50%まで低下するとき、内部抵抗がそのBOL値の200%まで増大するとき、リークがそのBOL値の200%まで増加するとき。慣行では、本明細書において使用されている装置の用語「耐久性」及び「信頼性」は、概して、前に定義した装置の寿命に関連する。 用語「モジュール式バス」は、本明細書では慣行により、各回路基板における基板トポロジー及びピン割り当てのプロトコルであって、電力のフローをサポートし、基板を接続する整列したスタッカにより他の回路及び/又は外部ハードウェアに通信する能力を与えるようなプロトコルについて記述するために使用される。 装置の「動作温度範囲」は、概して、あるレベルの性能が維持される温度範囲に関連し、概して、与えられた用途のために決定される。例えば、一実施形態では、石油及びガス用途の動作温度範囲は、装置の抵抗が、摂氏30度における当該装置の抵抗の約1000%未満であり、容量が摂氏30度における容量の約10%より大きいような温度範囲として定義される。 いくつかの例では、動作温度範囲の仕様は、有用な温度の下限を規定する一方、寿命の仕様は、有用な温度の上限を規定する。 用語「最適化」及び「最適化する」は、本明細書では、最適化を引き起こすものとして述べられている目的又は方法を適用しない場合のシステム又は性能と比較して、改善されたシステム又は性能に向かってシステム又は性能を変化させる過程を記述するために使用される。明確さのために、本明細書では、これらの用語を使用することで、最適値が達成されなければならないと提案することを意図せず、それ自体、最適化された範囲は改善のスペクトル上にあるということが理解されるべきである。 「ピーク電力密度」は、ピーク装置電圧の2乗の4分の1を当該装置の実効直列抵抗により除算し、さらに当該装置の質量もしくは体積により除算したものである。 本明細書で使用された用語「信号」は、所定時間にわたるエネルギー又はデータの転送を示す。 さらに、別途指定されない限り、用語「信号」は、所定時間にわたるエネルギー転送又は所定時間にわたるデータ転送のいずれかを意味するだろう。 本明細書で使用される用語「地下」は、地表下の環境又は同様の特性を有する環境を示す。 用語「1つのシステム」又は「複数のシステム」は、本明細書では、電力システム、データ記録及び/又は報告システム、又はそれらの組み合わせを含むように使用される。 本明細書で使用される用語「ウルトラキャパシタ」は、当該技術分野で認識される電解質二重層容量メカニズムを利用するエネルギー貯蔵装置を示す。 本明細書において述べているように、ウルトラキャパシタ10の「体積当たりの漏れ電流」は、概して、ウルトラキャパシタ10の体積で除算した漏れ電流を示し、例えば、mA/ccの単位で表されてもよい。同様に、ウルトラキャパシタ10の「体積当たりの容量」は、概して、ウルトラキャパシタ10の体積で除算したウルトラキャパシタ10の容量を示し、例えば、F/ccの単位で表されてもよい。例えば、さらに、ウルトラキャパシタ10の「体積当たりのESR」は、概して、ウルトラキャパシタ10のESRにウルトラキャパシタ10の体積を乗算したものを示し、Ohms・ccの単位で表されてもよい。 慣行として、本明細書において使用されている用語「てもよい(may)」は、オプションと解釈され、「含む(includes)」は、他のオプション(例えば、ステップ、材料、構成要素、組成等)を除外しないものと解釈され、「べきである(should)」は、要件を含意するものではなく、随時の、又は状況による選好を意味する。同様に、他の同じような用語が、一般的な慣行による方法で使用される。 本明細書において議論されているように、用語「適合されている(adapting)」、「構成されている(configuring)」、「組み立てる(constructing)、等は、意図された結果をもたらすため、本明細書において開示された任意の技術並びに他の同様の技術(現在知られているかもしくは後に考案されるもの)の適用を含むと考えられてもよい。 2.所定実施形態のアプリケーション 本明細書に開示されたシステムは、以下に概説されるような様々な非限定的な用途で使用されてもよい。 1)掘削中動作 a)掘削中 i)掘削中の測定(Measuring While Drilling:「MWD」) ii)掘削中の検層(Logging While Drilling:「LWD」) b)ワイヤーライン検層 i)電線 ii)メモリ検層 2)完成時動作 a)ワイヤーライン検層 i)電線 ii)メモリ検層 3)生産中動作 a)永続的検層 b)ワイヤーライン検層 i)電線 ii)メモリ検層 ここで図1を参照すると、ここでは、検層データを測定しながら、坑井101(「wellbore」又は「borehole」ともいう)を掘削するための装置の態様を示す。慣行により、坑井101の深さはZ軸に沿って記述され、横断面が、X軸及びY軸によって記述される平面上に示される。 この例では、坑井101は、掘削装置(図示せず)によって駆動されるドリルストリング111を用いて地中102へ掘削される。掘削装置は、とりわけ、回転エネルギー及び下方への力を提供する。坑井101は、概して、地表下物質を横切って進む。地表下物質は、様々な地層103(地層103A、103B、及び103Cとして示す)を含む可能性がある。当業者は、地表下環境で遭遇する可能性がある様々な地質学上の特徴が「地層」と呼ばれてもよく、また、坑井(すなわち「borehole」又は「downhole」)を下に進むときに存在する物質のアレイが「地表下物質」と呼ばれてもよいことを認識するだろう。すなわち、地層103は地表下物質から形成される。従って、本明細書で使用されるように、用語「地層」は概して地質学上の地層を示し、「地表下物質」は任意の物質を含むが、固体、流体、ガス、液体、などの物質を含んでもよいことは考慮されるべきである。 この例において、ドリルストリング111は、ドリルビット114を駆動する所定長さのドリルパイプ112を含む。ドリルビット114はまた、掘削泥水などの掘削流体104のフローを提供する。掘削流体104は、多くの場合、ドリルパイプ112を介してドリルビット114にポンプで注入され、ここで、流体は坑井101の中へ出ていく。これにより、坑井101内で、掘削流体104の上向きフローFが生じる。上向きフローFは、概して、ドリルストリング111及びその構成要素を冷却し、ドリルビット114からカッティングスを運び去り、加圧された炭化水素105の暴噴を防ぐ。 掘削流体104(「掘削泥水」とも呼ぶ)は、概して、環境に固有である可能性がある水、掘削流体、泥水、石油、ガス、及び地層流体のような液体の混合物を含む。掘削流体104は掘削動作のために導入される可能性があるが、掘削流体104の使用又は存在は、検層動作で必要とされるわけでもなく、必ずしも検層動作から除外されるわけでもない。概して、物質の層は、ドリルストリング111の外面と坑井101の壁との間に存在するだろう。この層は「スタンドオフ層」と呼ばれ、「スタンドオフS」と呼ばれる厚さを含む。 ドリルストリング111は、概して、掘削中測定(「MWD」)又は掘削中検層(「LWD」)を実行するための機器を含む。MWD又はLWDを行うことは、概して、ドリルストリング111に組み込まれ、掘削中に動作するように設計された検層装置100の動作を必要とする。概して、MWDを行うための検層装置100は、ドリルストリング111上に設けられた電子回路パッケージに接続される。従って、この電子回路パッケージは、「坑井内電子回路113」と呼ばれる。概して、坑井内電子回路113は、動作制御及びデータ分析の少なくとも一方を行う。多くの場合、検層装置100及び坑井内電子回路113は、地上機器107に接続される。地上機器107は、さらに動作を制御し、より大きな分析能力を提供し、及び/又はデータを記録することなどのために含まれていもよい。地上機器107への通信を通信チャネル(図示せず)により行ってもよく、通信チャネルはパルスマッド、有線パイプ、及び/又は当該技術分野において知られた他の技術を介して動作してもよい。 概して、MWD装置からのデータは、向上された能力をユーザに提供する。例えば、MWDの発展から利用可能になったデータは、ジオステアリング(すなわち、掘削処理の間においてドリルストリング111のステアリングを行うこと)への入力、などとして有用である可能性がある。 ここで図2を参照して、坑井101のワイヤーライン検層のための例示的な検層装置100を示す。慣行により、坑井101の深さはZ軸に沿って記述され、横断面が、X軸及びY軸によって記述される平面上に示される。検層装置100による検層前に、坑井101は、図1に示すような掘削装置を用いて、地中102へ向かって掘削される。 いくつかの実施形態において、坑井101は、少なくともある程度まで、掘削流体104で充填されている。掘削流体104(「掘削泥水」とも呼ぶ)は、概して、環境に固有である可能性がある水、掘削流体、泥水、石油、ガス、及び地層流体のような液体の混合物を含む。掘削流体104は掘削動作のために導入される可能性があるが、掘削流体104の使用又は存在は、ワイヤーライン検層中の検層動作で必要とされるわけでもなく、必ずしも当該検層動作から除外されるわけでもない。概して、物質の層は、検層装置101の外面と坑井101の壁との間に存在するだろう。この層は「スタンドオフ層」と呼ばれ、「スタンドオフS」と呼ばれる厚さを含む。 概して、検層装置100は、デリック106又は同様の機器によって展開されるワイヤーライン108を用いて、坑井101の中へ下ろされる。概して、ワイヤーライン108は、他の装置に加えて、荷重支持ケーブルのような懸架装置を含む。他の装置は、電源、通信リンク(有線又は光学など)、及び他のそのような機器を含んでもよい。概して、ワイヤーライン108は、サービストラック109又は他の同様の装置(サービスステーション、基地局など)から運搬される。多くの場合、ワイヤーライン108は地上機器107に接続される。地上機器107は、検層装置100へ電力を提供し、さらに、動作の制御及びデータの分析の少なくとも一方に計算及び処理能力を提供してもよい。 概して、検層装置100は電源115を含む。電源115は、坑井内電子回路113(すなわち電力消費装置)へ電力を適切に提供してもよい。概して、坑井内電子回路113は、測定値を提供し、及び/又は、サンプリングを実行し、及び/又は、炭化水素105の存在を発見し、確認し、定量化するために望まれる他の任意のシーケンスを行う。 モジュール式信号インターフェース装置及び関連した電力システムを含め、本発明は、以下の定義を参照して記載されている。便宜のため、定義を以下に説明している。他に特に規定がなければ、本明細書において用いられている次の用語は、以下のように定義する。 当業者は、本明細書に開示された装置、システム、及び方法が、抵抗、パルス中性子及びガンマ測定及びその他を含む核、核磁気共鳴映像法、音響、及び/又は地震測定、地層サンプリングツール、様々なサンプリングプロトコル、通信、データ処理及び記憶、ジオステアリング、回転ステアリングツール、加速度計、磁力計、センサ、トランスデューサ、ディジタル及び/又はアナログ装置など(以下で列挙されるものを含む)などをサポートする技術及び装置類とともに使用されてもよく、電力使用坑井の要件を有する他の無数のシステムとともに使用されてもよいことを認識するだろう。本明細書に開示された電力システムによって、他の多くの構成要素に電力が供給されてもよい。非限定的な例は、加速度計、磁力計、センサ、トランスデューサ、ディジタル及び/又はアナログ装置(以下で列挙されたものを含む)などを含む。他の例は、回転によりステアリング可能なツールを含む。他の例は、マッドパルステレメトリシステムのようなテレメトリ構成要素又はシステムを含む。マッドパルステレメトリシステムの非限定的な例は、回転マッドパルサー、ソレノイドで駆動されるマッド泥パルサー、及びモータで駆動されるマッドパルサーを含む。テレメトリシステムの他の非限定的な例は、EMテレメトリシステム、有線のテレメトリシステム、光ファイバーテレメトリシステム、及びその他同種のものを含む。 3. 電源 先の用途に適用可能な所定の実施形態によれば、本明細書に開示された装置、システム、及び方法は電源を含み、それはさまざまなエネルギー入力を含んでもよい。エネルギー入力は、概して3つのカテゴリ、すなわちバッテリー、遠隔システム、及び発電機に分類されてもよい。 いくつかの実施形態において、電源は一次電池を含む。例示的なバッテリーは、過酷な環境中の動作に適合するものを含む。特定の例は、リチウムを有するものを含む、様々な化学電池を含む。より特定の例は、塩化チオニルリチウム(Li−SOCl2)と、同様の技術及び/又は化学的性質に基づくバッテリーを含む。しかしながら、これらの技術のうちの一部は所望の温度定格を達成できない可能性があり、これらの技術のうちの一部は短期間のエネルギー貯蔵のみをサポートできる(すなわち、エネルギー貯蔵装置は、例えば、再充電可能でない構成要素を含んでもよく、又は、他の構成要素と比較して短縮された寿命を有するものを含んでもよい)ということが認識される。包含される可能性がある他の例示的なバッテリーは、リチウム塩化臭素を含み、また、リチウムスルフリルクロリド及び融解塩を含む。 電源は、遠隔の電源への少なくとも1つの接続を含んでもよい。すなわち、エネルギーは、ワイヤーライン経由のように、外部源を介して供給されてもよい。外部エネルギー源が坑井内環境によって制約を受けないならば、エネルギーを受けるための主要な関心事は、エネルギーを坑井に伝達する方法及び装置を含む。開示されたシステムへエネルギーを提供するための例示的な技術は、有線ケーシング、有線パイプ、コイル型チュービング、及び当該技術分野において既知である可能性がある他の技術を含む。 電源は少なくとも1つの発電機を含んでもよい。様々なタイプのエネルギー発生装置が、単独で、又は互いに組み合わせて使用されてもよい。例示的なタイプのエネルギー発電機は、以下に限定するわけではないが、回転発電機、電磁気的変位による発電機、磁歪の変位による発電機、圧電性変位による発電機、熱電発電機、熱光起電力発電機を含み、また、地上で保持された発電機又は電源へのワイヤーライン接続のような遠隔の発電機への接続を含んでもよい。他のタイプの発電機は、慣性エネルギー発電機、リニア慣性エネルギー発電機、回転慣性エネルギー発電機、又は振動エネルギー発電機を含む。 上述のように、他のタイプの発電機は、以下に限定するわけではないが、回転発電機、電磁気的変位による発電機、磁歪の変位による発電機、圧電性変位による発電機、熱電発電機、熱光起電力発電機を含み、また、地上で保持された発電機又は電源へのワイヤーライン接続のような遠隔の発電機への接続と、放射性同位体による電力発電機とを含んでもよい。 回転タイプの発電機は、例えば、流体(液体又はガス又は混合物)により引き起こされた回転、単一ステージの設計、マルチステージに依存する発電機を含んでもよく、余分であってもよい。 電磁気的変位型の発電は、例えば、ドリルストリングの振動(所望されたもの又は望ましくないもの)、音響的振動、地震振動、流動励起振動(例えば、泥、ガス、石油、水などから)に依存してもよく、往復運動に依存する発電を含んでもよい。 磁歪型の発電は磁歪に依存する。磁歪は強磁性体の特性であり、磁化の過程においてそれらの形状又は寸法を変化させる。磁歪材料は、磁気エネルギーを運動エネルギーに、又は逆に変換することができ、アクチュエータ及びセンサを構成するために使用される。電磁気的変位型の発電の場合のように、磁歪型の発電は、例えば、ドリルストリングの振動(所望されたもの又は望ましくないもの)、音響的振動、地震振動、流動励起振動(例えば、泥、ガス、石油、水などから)に依存してもよく、往復運動に依存する発電を含んでもよく、また、運動又は磁気エネルギーの形式で発電するか又は結果的にそれらの形式をもたらす他の技術を含んでもよい。 圧電型の発電は、圧電性特性を示す材料に依存する。圧電気は、加えられた機械的応力に応じて所定の固体材料(特に、水晶、所定のセラミック、など)に蓄積される電荷である。圧電型の発電は、例えば、ドリルストリングの振動(所望されたもの又は望ましくないもの)、音響的振動、地震振動、流動励起振動(例えば、泥、ガス、石油、水などから)に依存してもよく、往復運動に依存する発電を含んでもよく、また、機械的応力の形式で発電するか又は結果的にその形式をもたらす他の技術を含んでもよい。 圧電効果は、力学的エネルギーを電気的なエネルギーに変換するために利用することができる。例えば、圧電素子は、片持ちビームの形式で構成されてもよく、それによって、ビームの端部の運動は振動下のビームを曲げる。圧電素子もプラッタとして構成されてもよく、それによって振動はプラッタの中心に歪みを生じさせる。各構成において、機械的振動の影響を増大させるために、変化する質量の負荷が使用されてもよい。例えば、システムの機械的振動に起因するビームが受けたたわみのレベルを増大するために、片持ちビームの端部に所定質量が配置されてもよい。 いくつかの実施形態において、圧電発電機は、力学的エネルギーを電流に変換するためにそれぞれ提供される1つ乃至多数の圧電素子を含む。圧電発電機は、さらに、電流をエネルギー変換又は貯蔵電子回路に移すために1つ乃至多数の導電素子を含んでもよい。各圧電発電機は、エネルギー発生能力を向上させるために複数で構成されてもよい。機械的振動の様々なモードを取り込むために、圧電発電機は適切な方向に配置されてもよい。例えば、3次元の横振動を取り込むために、圧電発電機は、振動の各次元が少なくとも1組の圧電発電機によって取り込まれるように、互いに直交して配置されてもよい。 概して、圧電発電機は、1ワット以内の電力を発生するのに有用である。しかしながら、追加の電力を生成するために複数の発電機が使用されてもよい。一実施形態において、複数の圧電素子を所定時間に変形するように、単一の質量が構成されてもよい。 電磁気的発電機のように、圧電発電機は、与えられた固有周波数で動作する。機械的振動が圧電発電機の固有周波数で生じる場合、最大の電力が発生される。発生された電力の量を最大化するために、圧電発電機の固有周波数は、以前に議論されたように、導電材料への変化する負荷素子を含むことにより調整されてもよい。もう一つの実施形態において、所定範囲の振動周波数を取り込むために、異なる固定周波数に調整された複数の圧電発電機があってもよい。共振応答を低減しながら圧電発電機の実効取り込みスペクトルを広げるために、圧電素子に取り付けられた材料又は圧電素子を取り囲む流体の形式で減衰させることが使用されてもよい。 力学的エネルギー源が流体フローの形式を有する一実施形態では、回転に基づく圧電発電機が使用されてもよい。例えば、1つ乃至複数の圧電素子は、構造物の回転に起因して変形されてもよい。ある実施形態において、1つ乃至多数の圧電ビームは、回転するホイールに取り付けられた直交ピンによって曲げられてもよい。ホイールがその軸のまわりで回転するとき、ピンは、圧電素子と接触し、ホイールの回転に応じて素子の変形を引き起こす。もう一つの実施形態において、圧電素子は、可変な半径の回転物体に平行に隣接して配置されている。回転物体が回転するとき、圧電素子は、回転物体及び圧電素子の間の接点において、半径に依存する変化する程度まで圧縮される。この実施形態において、追加の電気エネルギーを発生するために回転物体に配置された圧電素子があってもよい。 熱電型の発電は、熱電特性を示す材料に依存する。熱電発電機は、概して、「ゼーベック効果」(又は「熱電効果」)と呼ばれる現象を用いて、熱流(温度差)を直接的に電気エネルギーに変換する。例示的な熱電発電機は、バイメタル接続(複数の材料の組み合わせ)に依存するしてもよく、又は、特定の熱電材料を利用してもよい。熱電材料の一例は、テルル化ビスマス(Bi2Te3)、すなわち、ミリメートル範囲の厚さを有しうるPN接合を有する半導体である。概して、熱電発電機はソリッドステート装置であり、可動部をもたない。 熱電発電機は、様々な温度勾配を利用するために設けられてもよい。例えば、パイプの内部及びの外部の温度差、ケーシングの内部及び外部の温度差、ドリルストリングに沿った温度差、(電気的及び/又は力学的エネルギーからの)ツール内の電力消費から生じる温度差)は、引き起こされた温度差を利用してもよい。 熱光起電力発電機は、光子を介する熱差から電気へのエネルギー変換を行う。簡単な形式では、熱光起電力システムは、熱放射器及び光起電力ダイオードセルを含む。熱放射器の温度はシステム間で変動するが、原則として、熱光起電力装置は、光起電力装置の温度よりも増大した温度を有する任意の放射器からエネルギーを抽出する(したがって、光学的熱機関を形成する)ことができる。放射器は、1個の固体材料又は特別に構成された構造物であってもよい。熱放射は、材料中の電荷の熱運動に起因する光子の自然放出である。坑井内環境において、周囲の温度は、大部分は近赤外線及び赤外線の周波数において、放射を引き起こす。光起電力ダイオードは、これらの放射された光子の一部を吸収し、それらを電子に変換することができる。 他の形式の発電が使用されてもよい。例えば、イオンを電流に変換するアイソトープ発電が電源に組み込まれてもよい。 上述のタイプの発電機をドリルストリングに組み込むために、さまざまな技術が使用されてもよい。例えば、断続的又は連続的な電力を電子回路に供給するために、圧電素子が設計へ包含されていてもよい。坑井内環境は、音響的、機械的、又は地震の発生源による、所望されたか望ましくない多量の振動に起因する、圧電発電のための多数の機会を提供する。 坑井内ドリルストリングには、振動の3つの主モード、すなわち、ドリルカラー回転、ビットバウンス、及びカラースティックスリップがある。これらのモードのそれぞれは互いに結合することができ、これにより、横方向、ねじれ方向、及び軸方向の振動を引き起こす。 坑井内装置において、環境発電の可能性を提供する多数の場所がある。装置は、剛体のサポートにより直接的に接続されるか、可撓性の接続部により接続されたままにされるか、圧電素子以外の材料によって非接続のままにされた複数の別個のセクションから構成されいてもよい。可撓性の接続は、可撓性の膜で、又はピボット接続された剛体の構造物で構成されてもよい。 ねじれ方向の振動からエネルギーを取り込むために、圧電材料を、装置の長さに沿って垂直に配置することができる。装置のセクション間のねじれ応力は、圧電素子を変形させる可能性がある。発生された電流をエネルギー貯蔵又は変換装置に運ぶために、圧電素子に沿って導電材料を配置することができる。 もう一つの実施形態において、圧電材料は、軸方向の振動からエネルギーを発生するために利用可能である。例えば、圧電素子は、さもないと非接続のままにされる2つ以上のコンパートメント間に配置される可能性があり、又は接続された可撓性の接続である可能性がある。圧電素子の各端部は、軸方向の振動が圧電素子を圧縮又は伸長するように、軸方向及び接線方向に直交する装置の面に接続されてもよい。 もう一つの実施形態において、圧電材料は、横方向の振動からエネルギーを発生するために利用可能である。例えば、圧電素子は、さもないと非接続のままにされる2つ以上のコンパートメント間に配置されてもよく、又は可撓性の接続を介して接続されてもよい。圧電素子の端部は、接続する圧電素子を各コンパートメントの相対的な剪断移動が曲げるように、各コンパートメントの接平面である壁に取り付けられてもよい。 これらの実施形態のうちの1つ又は多数が、エネルギー発生を向上するために同じ装置へ包含されてもよい。 要するに、電源は、坑井内環境において電力を供給するように適合した可能性がある任意のタイプの発電機を利用してもよい。使用される発電のタイプは、システムユーザ、設計者、製造業者、又は他の当事者のニーズ又は選好に従って選択されてもよい。あるタイプの発電は、単独で使用されてもよく、又はもう一つのタイプの発電と共に使用されてもよい。 振動エネルギー発電機の場合におけるように、環境要因による効率を改善するために、他の形式の発電機の制御(すなわちチューニング)が行われてもよい、ということが注意されるべきである。各場合において、発電機の「チューニング」はこのタスクを達成するように設計されていることは考慮される。ある場合には、組み立て中にチューニングが行われる。いくつかの追加の実施形態において、チューニングは、電源の動作中において、リアルタイムで、又はほぼリアルタイムに基づいて行なわれる。 4.高温で再充電可能なエネルギー貯蔵装置 ある実施形態において、本明細書に開示された装置、システム及び方法は、高温で再充電可能なエネルギー貯蔵装置(high temperature rechargeable energy storage:「HTRES」)を含んでもよい。HTRESは、坑井内条件で実用的である任意のタイプの技術を含んでもよい。ある実施形態において、HTRESは、摂氏75度を超える温度における動作のために構成され、例えば、摂氏約75度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約85度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約95度から摂氏約100度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約75度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約110度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約120度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約130度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約140度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約150度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約160度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約170度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約175度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度における動作のために構成される。 本明細書では、所定の例示的なタイプのHTRESの実施形態、特にウルトラキャパシタが開示される。そのような例示的なタイプのHTRESの開示は、本明細書に開示された実施形態の範囲を、そのような例示的なHTRESに限定しない。HTRESの追加の実施形態は、以下に限定するわけではないが、化学バッテリー、アルミニウム電解キャパシタ、タンタルキャパシタ、セラミック及び金属フィルムキャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、磁気エネルギー貯蔵装置、例えば、空気コア又は高温コア材料のインダクタを含む。適切でありうる他のタイプのものは、例えば、フライホイール、バネシステム、バネ質量システム、質点システムなどの力学的エネルギー貯蔵装置、熱容量システム(例えば、高い熱容量の液体又は固体又は相変化材料に基づいくもの)、油圧又は空気圧システムを含む。一例は、米国ロードアイランド州プロビデンスのエヴァンスキャパシタカンパニー(Evans Capacitor Company)から入手可能な高温ハイブリッドキャパシタであり、例えば、最大で摂氏125度までの定格温度を有する部品番号HC2D060122 DSCC10004−16である。もう一つの例は、米国ロードアイランド州プロビデンスのエヴァンスキャパシタカンパニーから入手可能である、例えば、最大で摂氏200度までの定格温度を有する部品番号HC2D050152HTの高温タンタルキャパシタである。さらにもう1つの例は、ドイツ国ミュンヘンEPCOS AGから入手可能である、例えば、最大で摂氏150度までの温度定格を有する部品番号B41691A8107Qのアルミニウム電解キャパシタである。さらにもう1つの例示は、日本国大阪府のパナソニック株式会社から入手可能である、例えば、最大で摂氏150度までの温度定格を有する部品番号ETQ−P5M470YFM、又は、米国カリフォルニア州フラートンのBIテクノロジーズ(BI Technologies)から入手可能である、例えば、最大で摂氏185度までの温度定格を有する部品番号HM70−602R0LFの高温インダクタである。追加の実施形態は、フランス国バニョレのサフトS.A.(Saft S.A.)から入手可能である、例えば、30回の充放電サイクルで最大で摂氏125度までの温度定格を有する部品番号Li−ion VL 32600−125のバッテリーを含む。最大で摂氏約250度までの温度定格を有するもう一つの例示的なリチウムイオンバッテリは、米国マサチューセッツ州ウォルサムのソリッドエネルギーシステムズコーポレイション(SolidEnergy Systems Corp.)で実験フェーズにあり、特許文献1に記載され、これの全体は参照によって本明細書に組み込まれる。 所定の実施形態において、HTRESは、図3〜図9及び図11〜図28を参照して下記に述べられる少なくとも1つのウルトラキャパシタを含む。 a.ウルトラキャパシタ 本明細書では、広範囲の温度において改善された性能をユーザに提供するために、スーパーキャパシタとしても知られたウルトラキャパシタが、本発明で使用するためにさらに開示される。 そのようなウルトラキャパシタは、エネルギー貯蔵セル及び電解質系を備え、これらは密閉して封止されたハウジング内にあってもよい。エネルギー貯蔵セルは、正の接点及び負の接点に電気的に接続される。そのようなウルトラキャパシタは、摂氏約−40度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度において動作するように構成されてもよい。例えば、本発明で使用されるウルトラキャパシタは、改良型電解質系(advanced electrolyte system)を備えてもよく、摂氏約−40度の低温から摂氏約210度の高温までの温度範囲で動作可能であってもよい。そのようなキャパシタは、図3〜図9及び図11〜図28を参照して本明細書で説明される。 概して、本明細書に開示されたキャパシタは、従来の装置と比較して、高い信頼性、広い動作温度範囲、高い電力密度、及び高いエネルギー密度の組み合わせを提供するように適合した少なくとも1つのエネルギー貯蔵媒体を含む。キャパシタは、当該温度範囲を超える動作を確実なものとするように構成された構成要素を含み、既知の電解質系から、又は本明細書で開示した改良型電解質系から選択された電解質6を含む。本明細書で説明した構造、エネルギー貯蔵媒体、及び、改良型電解質系の組み合わせは極端な条件下で動作する、本発明で使用するための頑健なキャパシタに、既存のキャパシタを超える改良された特性と、より高い性能及び耐久性とを提供する。 従って、本発明は、以下のようなウルトラキャパシタを備えてもよい。ウルトラキャパシタは、密閉して封止されたハウジング内に、後述するエネルギー貯蔵セル及び改良型電解質系(「AES」)を備え、上記セルは、正の接点及び負の接点に電気的に接続され、上記ウルトラキャパシタは、摂氏約−40度から摂氏約210度まで、摂氏約−35度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約205度まで、摂氏約−30度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約200度まで、摂氏約−25度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約195度まで、摂氏約−20度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約190度まで、摂氏約−15度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約185度まで、摂氏約−10度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約180度まで、摂氏約−5度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約175度まで、摂氏約0度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約170度まで、摂氏約5度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約165度まで、摂氏約10度から摂氏約210度まで、摂氏約−40度から摂氏約160度まで、摂氏約15度から摂氏約210度まで、摂氏約40度から摂氏約155度まで、摂氏約20度から摂氏約210度まで、又は摂氏約−40度から摂氏約150度までの温度範囲内にある温度(「動作温度」)において動作するように構成される。 例えば、図3に、ウルトラキャパシタの例示的な実施形態を示す。この場合、ウルトラキャパシタ10は、電気二重層キャパシタ(electric double-layer capacitor:「EDLC」)である。ウルトラキャパシタ10は、いくつかの異なるフォームファクタにおいて具体化されていてもよい(すなわち、ある外形を示す)。潜在的に有用なフォームファクターの例としては、円柱状セル、環状もしくはリング状セル、平面角柱状セル、ボックス状セルを含む平面角柱状セルのスタック、湾曲した空間等の特定の幾何学的形状に合わせて形成された平面角柱状セルが含まれる。円柱状のフォームファクタは、円柱状のシステム、もしくは円柱状のフォームファクタに搭載されたシステム、もしくは円柱状のキャビティを有するシステムとともに使用する際に最も有用であろう。環状もしくはリング状のフォームファクタは、リング状であるシステム、もしくはリング状のフォームファクタに搭載されているシステム、もしくはリング状のキャビティを有するシステムとともに使用する際に最も有用であろう。平面角柱状のフォームファクタは、矩形形状であるシステム、もしくは矩形形状のフォームファクタに搭載されているシステム、もしくは矩形形状のキャビティを有するシステムとともに使用する際に有用であろう。 概して、本明細書では「ゼリーロール」アプリケーション(すなわち、円柱形状に形成されたハウジング7のために構成されている貯蔵セル12)に関して開示されているが、巻回された貯蔵セル23(図25を参照)は任意の所望の形状をとってもよい。例えば、貯蔵セル12を巻回することとは対照的に、巻回された貯蔵セル23を提供するために、貯蔵セル12の折り曲げるを実行してもよい。他のタイプのアセンブリを使用してもよい。一つの例として、貯蔵セル12は、コイン型、ポーチ型、もしくは角柱型のセルと称される平坦セルであってもよい。したがって、巻回することは、単に、巻回された貯蔵セル23のアセンブリのための一つの選択肢である。それゆえ、本明細書では「巻回された貯蔵セル23」であることについて議論しているが、これは限定するものではない。概して、用語「巻回された貯蔵セル23」は、貯蔵セル12をパッケージ化もしくはパック化して、与えられた設計のハウジング7内に良好にフィットさせるための任意の適当な形式が含まれると考えられてもよい。 様々な形式のウルトラキャパシタ10を一緒に組み合わせてもよい。接点を一体に溶接することなどの既知の技術を用いて、少なくとも1つの機械的コネクタを用いて、互いに電気的に接触するように接点を設置することで、様々なフォームを組み合わせてもよい。複数のウルトラキャパシタ10が、並列接続もしくは直列接続の少なくとも一方で電気的に接続されていてもよい。 本明細書に開示されるウルトラキャパシタ10は、約0.05ミリリットル(cc)から約7.5リットルまでの範囲の体積を有してもよい。 ここで、本明細書に開示されたウルトラキャパシタの構成要素について議論する。 i.電解質系 図3を参照すると、電解質6は、カチオン9及びアニオン11のペアを含み、さらに溶媒を含んでよい。電解質6は、電極3及びセパレータ5内のボイド空間と、それらの間のボイド空間とを充填する。電解質6の中にあるイオン、具体的にはカチオン9及びアニオン11は、電極3にわたって電位が印加されたとき、二重の電気二重層を形成し、カチオン9は負極3(a)に関連付けられ、アニオン11は正極3(b)に関連付けられる。概して、本明細書に開示された電解質系は、特有の電解質、精製された改良された電解質、もしくはこれらの組み合わせを含み、電解質6は、例えば、1以上の塩もしくはイオン液体を含む物質であり、電荷を帯びたイオン(例えば、正の電荷を帯びたカチオン及び負の電荷を帯びたアニオン)に分離し、また、溶媒を含んでもよい。本明細書に開示した電解質系において、そのような電解質成分は、ある性能及び耐久性を向上させることに基づいて選択され、1以上の溶媒と組み合わされてもよい。溶媒は、物質を溶解して、新規かつ有用な電気化学的安定性及び性能を備える組成物を生成する。 所定の実施形態において、電解質6は、イオン液体、すなわち、ウルトラキャパシタ10の動作温度において液体であるイオン化合物であってもよい。それらの実施形態において、電解質6は、イオン液体と混合された溶媒をさらに含んでもよい。所定の実施形態において、電解質6は、ウルトラキャパシタ10の動作温度において固体であるイオン化合物と、イオン化合物を溶かす溶媒とを含んでもよい。 カチオン9、アニオン11、及び溶媒の様々な組み合わせが使用されてもよい。ウルトラキャパシタ10のある実施形態では、カチオン9は、1−(3−シアノプロピル)−3−メチルイミダゾリウム、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウム、1,3−ビス(3−シアノプロピル)イミダゾリウム、1,3−ジエトキシイミダゾリウム、1−ブチル−1−メチルピペリジニウム、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−4−メチルピリジニウム、1−ブチルピリジニウム、1−デシル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、3−メチル−1−プロピルピリジニウム、およびこれらの組み合わせ、ならびに適切であると考えられる他の同等物の少なくとも1つを含んでよい。追加の例示的なカチオン9は、図4に示す構造の種類に含まれるカチオン、例えば、イミダゾリウム、ピラジニウム、ピペリジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピロリジニウム、アンモニウム、オキサゾリウム、ホスホニウム、ピラディジニウム(pyradizinium)、スルホニウム、チアゾリウム、トリアゾリウム、グアニジウム、イソキノリニウム、ベンゾトリアゾリウム、又はビオロゲン型のカチオンを含む。例示的なウルトラキャパシタ10において、アニオン11は、ビス(トリフルオロメタンスルホナート)イミド、トリス(トリフルオロメタンスルホナート)メチド、ジシアナミド、テトラフルオロボラート、ヘキサフルオロホスファート、トリフルオロメタンスルホナート、ビス(ペンタフルオロエタンスルホナート)イミド、チオシアナート、トリフルオロ(トリフルオロメチル)ボラート、およびこれらの組み合わせ、ならびに適切であると考えられる他の同等物の少なくとも1つを含んでよい。 溶媒は、アセトニトリル、アミド、ベンゾニトリル、ブチロラクトン、環状エーテル、ジブチルカルボナート、ジエチルカルボナート、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジメチルカルボナート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホン、ジオキサン、ジオキソラン、ギ酸エチル、エチレンカルボナート、エチルメチルカルボナート、ラクトン、直鎖状エーテル、ギ酸メチル、メチルプロピオナート、メチルテトラヒドロフラン、ニトリル、ニトロベンゼン、ニトロメタン、n−メチルピロリドン、プロピレンカルボナート、スルホラン、スルホン、テトラヒドロフラン、テトラメチレンスルホン、チオフェン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、炭酸エステル、γ−ブチロラクトン、ニトリル、トリシアノヘキサン、これらの任意の組み合わせ、又は適切な性能特性を示す他の1または複数の材料を含んでよい。 ここで図4を参照すると、電解質6をもたらすためにイオン液体での使用に適したカチオン9の種々の追加の実施形態が示される。これらのカチオン9は、単独で用いてよく、または互いに組み合わせて用いてよく、カチオン9の上述の実施形態の少なくともいくつかと組み合わせて用いてよく、ユーザ、設計者、製造者、または他の同様の当事者が適合的又は適切であると判断する他のカチオン9と組み合わせて用いてもよい。図4に表したカチオン9は、アンモニウム、イミダゾリウム、オキサゾリウム、ホスホニウム、ピペリジニウム、ピラジニウム、ピラジニウム、ピリダジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピロリジニウム、スルホニウム、チアゾリウム、トリアゾリウム、グアニジウム、イソキノリニウム、ベンゾトリアゾリウム、ビオロゲン型、および官能基化イミダゾリウムのカチオンを含むが、これらに限定されない。 図4に示すカチオン9に関して、様々な置換基(例えばR1、R2、R3、…Rx)が含まれている。カチオン9の場合において、各置換基(Rx)は、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、ハロ、アミノ、ニトロ、シアノ、ヒドロキシル、サルフェート、スルホナート、またはカルボニル基の1つであってよい。先の置換基(Rx)のうちの任意のものがオプションで置換されてもよい。 概して、負電荷を有する任意のイオンは、アニオン11として使用されてもよい。選択されるアニオン11は、概して、大きな有機カチオン9とペアになって、低温溶融イオン塩を生成する。常温(およびそれより低い温度)溶融塩は、主に、−1の電荷を有する大きいアニオン9によってもたらされる。より一層低温で溶融する塩は、概して、容易に非局在化する電子を有するアニオン11と共に実現される。イオン間の親和力を低下させるであろうもの(電荷の距離、非局在化)はすべて、その後、融点を低下させる。可能なアニオンの構成は実質的に無限であるが、これらの部分集合のみが低温イオン液体の用途において機能するだろう。これは、イオン液体に係る可能なアニオン生成の非限定的な概説である。 表1に提示されるアニオン11の使用に適した共通の置換基(α)として以下のものが挙げられる:−F−,−Cl−,−Br−、−I−、−OCH3−、−CN−、−SCN−、−C2H3O2−、−ClO−、−ClO2−、−ClO3−、−ClO4−、−NCO−、−NCS−、−NCSe−、−NCN−、−OCH(CH3)2−、−CH2OCH3−、−COOH−、−OH−、−SOCH3−、−SO2CH3−、−SOCH3−、−SO2CF3−、−SO3H−、−SO3CF3−、−O(CF3)2C2(CF3)2O−、−CF3−、−CHF2−、−CH2F−、−CH3−、−NO3−、−NO2−、−SO3−、−SO4^2−、−SF5−,−CB11H12−、−CB11H6Cl6−、−CH3CB11H11−、−C2H5CB11H11−、−A−PO4−、−A−SO2−、A−SO3−、−A−SO3H−、−A−COO−、−A−CO−。ここで、Aは、フェニル基(フェニル基又はフェニル環は、化学式C6H5を有する原子の環状基である)又は置換されたフェニル基、アルキル(アルカンから水素原子を除去することで形成されて、一般式CnH2n+1を有するラジカル)又は置換されたアルキル基、負の電荷を有するラジカルアルカン(アルカンは、水素原子及び炭素原子からのみなり、単結合のみによって結合される化合物である)、ハロゲン化されたアルカン、及びエーテル(2つのアルキル基又はアリール基に接続された酸素原子を含んでいる有機化合物のクラス)である。 電解質6をもたらすイオン液体において用いるのに適したアニオン11に関して、種々の有機アニオン11を用いてよい。表1に、例示的なアニオン11及びその構造を示す。第1の実施形態(No.1)において、例示的なアニオン11は、上で提示した置換基(α)のリストまたはこれらの同等物から定式化される。追加の実施形態(No.2〜5)において、例示的なアニオン11は、各塩基構造(Y2、Y3、Y4、…Yn)と各多数のアニオン置換基(α1、α2、α3、…αn)とから定式化され、各多数のアニオン置換基(α)は、上で提示した置換基(α)のリストまたはこれらの同等物から選択されてよい。いくつかの実施形態において、複数のアニオン置換基(α)(即ち少なくとも1つの異なるアニオン置換基(α))を、アニオン11の任意の一の実施形態において用いてよいことに留意されたい。また、いくつかの実施形態において、塩基構造(Y)は単一の原子または(表1に記載の)指定された分子であり、またはその同等物であってよいことに留意されたい。 より具体的に、また、例示として、表1に提示される例示的なアニオンに関して、所定の組み合わせが実現されてよい。一例として、No.2の場合、塩基構造(Y2)は、2つのアニオン置換基(α2)に結合された単一の構造(例えば原子または分子)を含む。2つの同一のアニオン置換基(α2)を有するように示しているが、この通りである必要はない。即ち、塩基構造(Y2)は、上で列挙したアニオン置換基(α)のいずれか等の様々なアニオン置換基(α2)に結合されてよい。同様に、塩基構造(Y3)は、No.3の場合に示すように、3つのアニオン置換基(α3)に結合される単一構造(例えば原子)を含む。重ねて、アニオンに含まれるアニオン置換基(α)の各々は、種々様々であってよく、表1に示すように繰り返される(反復的または対称的である)必要はない。一般に、表1における表記に関連して、一の塩基構造における下付文字は、各塩基構造がアニオン置換基(α)と共に有してよい結合の個数を意味する。即ち、各塩基構造(Yn)における下付文字は、各アニオンにおける付随するアニオン置換基(αn)の個数を意味する。
1.改良型電解質系(AES) 所定の実施形態において、ウルトラキャパシタ10は、図3に示す電解質6として改良型電解質系(advanced electrolyte system:「AES」)を備える。本明細書に開示されたAESは、上述の電解質系の特性の多くを共有する。本明細書に開示されたAESは、既存のエネルギー貯蔵装置(例えば、本明細書に開示されたものではない電解質を含むエネルギー貯蔵装置、もしくは、不十分な純度を有する電解質を含むエネルギー貯蔵装置)に比較して、本明細書に開示されたウルトラキャパシタに特有且つ明確に区別できる利点を提供する。これらの利点は、性能及び耐久性特性の両方における改善を含み、たとえば、以下のものの1つ以上を含む:減少した合計抵抗、増大した抵抗の長期安定性(例えば、与えられた温度における所定時間にわたる材料の抵抗増加量の減少)、増大した合計容量、増加した容量の長期安定性(例えば、与えられた温度における所定時間にわたるウルトラキャパシタの容量低下量の減少)、増大したエネルギー密度(例えば、より高い電圧をサポートすることによる、及び/又は、より大きな容量をもたらすことによる)、増大した電圧安定性、減少した気圧、それぞれのキャパシタについての拡大した温度範囲性能(例えば、2つの温度間で遷移する場合、容量の有意な減少及び/又はESRの有意な増大が生じないこと、及び/又は、摂氏約+30度から摂氏約−40度に遷移する場合、90%を越える容量減少及び/又は1000%を越えるESR増大が生じないこと)、それぞれのキャパシタについての増大した温度耐性(例えば、与えられた時間後の与えられた温度において50%未満の容量低下、与えられた時間後の与えられた温度において100%未満のESR増大、与えられた時間後の与えられた温度において10A/L未満の漏れ電流、40%未満の容量減少及び/又は75%未満のESR増大、5A/L未満の漏出電流、30%未満の容量減少及び/又は50%未満のESR増大、及び/又は、1A/L未満の漏出電流)、向上した製造容易性(例えば、減少した気圧を有し、従って、より良好な歩どまり、及び/又は、キャパシタを電解質で充填するより効率的な方法を有すること)、及び、改善された費用効果(例えば、他の材料ほど高価でない材料でボイド空間を充填することによる)。明確さのため、性能特性は、装置の所与の使用時であって、同様の所与の使用時における材料間の比較に適した使用時における装置の有用性に係る特性に関する。一方、耐久特性は、そのような特性を一定時間にわたって維持する能力に係る特性に関する。上記の性能及び耐久性の例は、本明細書で考慮される「性能もしくは耐久性における有意な変化」が何であるかについての文脈を提示するのに役立つはずである。 AESの特性は、容量の増大、等価直列抵抗(equivalent-series-resistance:ESR)の減少、高い熱的安定性、低いガラス転位温度(Tg)、改善された粘性、特定のレオペクシー特性もしくはチキソトロピー特性(例えば、温度に依存するもの)、並びに、高い伝導性から選択された特性における改善の結果、及び/又は、広い温度範囲にわたって良好な電気性能を示すことであってもよい。例えば、AESは、高い流動性を有していてもよく、もしくは対照的に、電極3(a)及び3(b)の分離を保証する実質的に固体であってもよい。 AESは、高温ウルトラキャパシタで使用される本明細書に記載した新規な電解質と、高温ウルトラキャパシタで使用される高度に精製された電解質と、全温度にわたって性能もしくは耐久性の大きな低下なしに摂氏−40度から摂氏210度までの温度範囲における使用に適した改良された電解質の組み合わせとを含む。 ある特定の実施形態では、AESは高温ウルトラキャパシタでの使用に適合する。ある実施形態では、ウルトラキャパシタは、摂氏約80度から摂氏約210度までの温度範囲、例えば、摂氏約80度から摂氏約150度までの温度範囲内の温度で動作するように構成されている。 ある特定の実施形態において、AESは、高度に精製された電解質を含む。例えば、高度に精製された電解質は、高温ウルトラキャパシタにおいて用いられるように適合されている。ある態様では、ウルトラキャパシタは、摂氏約80度から摂氏約210度までの温度範囲内の温度で動作するように構成されている。 ある特定の実施形態において、AESは、改良された電解質の組み合わせを含む。例えば、当該改良された電解質の組み合わせは、高温及び低温のウルトラキャパシタの両方における使用に適合している。ある態様では、このウルトラキャパシタは、摂氏約−40度から摂氏約150℃までの温度範囲内の温度において動作するように構成されている。 このように、また上述したように、既知のエネルギー貯蔵装置の既存の電解質を超える利点は、次の1以上の改善点から選択される:減少した合計抵抗、増大した抵抗の長期安定性、増大した合計容量、増加した容量の長期安定性、増大したエネルギー密度、増大した電圧安定性、減少した気圧、それぞれのキャパシタについての拡大した温度範囲性能、それぞれのキャパシタについての増大した温度耐性、向上した製造容易性、及び改善された費用効果。 ウルトラキャパシタのある実施形態において、エネルギー貯蔵セルは、正極及び負極を備える。 ウルトラキャパシタのある実施形態において、電極のうちの少なくとも1つは、炭素を含むエネルギー貯蔵媒体を含む。例えば、炭素を含むエネルギー貯蔵媒体はカーボンナノチューブを含む。特定の実施形態において、炭素を含むエネルギー貯蔵媒体は、活性炭、カーボンファイバー、レーヨン、グラフェン、エアロゲル、カーボンクロス、及びカーボンナノチューブを含んでいてもよい。 ウルトラキャパシタのある実施形態において、それぞれの電極は集電体を含む。 ウルトラキャパシタのある実施形態において、AESは、不純物含有量を減少させるように精製される。ある実施形態において、AESにおけるハロゲン化物イオンの含有量は、約1000ppm未満、例えば、約500ppm未満、例えば、約100ppm未満、例えば、約50ppm未満である。ある特定の実施の形態において、AESにおけるハロゲン化物イオンの含有量は、塩素、臭素、フッ素、及びヨウ素からなるグループから選択されたハロゲン化物イオンのうちの1つ以上から選択される。特定の実施形態において、AESにおける不純物の合計濃度は、約1000ppm未満である。ある実施形態において、不純物は、ブロモエタン、クロロエタン、1−ブロモブタン、1−クロロブタン、1−メチルイミダゾール、エチルアセテート、及び塩化メチレンからなるグループのうちの1つ以上から選択される。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、AESにおける金属種の合計濃度は、約1000ppm未満である。ある特定の実施形態において、当該金属種は、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、及びZnからなるグループから選択された1以上の金属から選ばれる。他の特定の実施形態において、当該金属種は、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、及びZnからなるグループから選択された1以上の金属合金から選ばれる。さらに別の特定の実施形態において、当該金属種は、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、及びZnからなるグループから選択された1以上の金属酸化物から選ばれる。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、AESにおける合計水分含有量は、約500ppm未満であり、例えば、約100ppm未満、例えば、約50ppm未満、例えば、約20ppmである。 ウルトラキャパシタの所定の実施形態において、体積当たりの漏れ電流は、当該温度範囲において、約10アンペア/リットル未満である。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、体積当たりの漏れ電流は、約0ボルト〜約4ボルト、例えば約0ボルト〜約3ボルト、例えば約0ボルト〜約2ボルト、例えば約0ボルト〜約1ボルトの特定の電圧範囲にわたって、約10アンペア/リットル未満である。 ウルトラキャパシタの所定の実施形態において、ハウジング内の水分レベルは、約1000ppm未満、例えば約500ppm未満、例えば約350ppm未満である。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの電極の水分含有量は、約1000ppm未満、例えば約500ppm未満、例えば約350ppm未満である。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタのセパレータの水分含有量は、約1000ppm未満、例えば約500ppm未満、例えば約160ppm未満である。 ウルトラキャパシタの所定の実施形態において、塩化物含有量は、電極、電解質、及びセパレータからなるグループから選択された成分のうちの1つについて、約300ppm未満である。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの体積当たりの漏れ電流(mA/cc)は、実質的に一定の温度に維持されている間、約10mA/cc未満であり、例えば、実質的に一定の温度に維持されている間、約1mA/cc未満である。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの体積当たりの漏れ電流は、実質的に一定の温度に維持されている間、約0.0001mA/ccより大きい。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの体積当たりの容量は、約6F/cc〜約1mF/cc、約10F/cc〜約5F/cc、もしくは、約50F/cc〜約8F/ccである。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタの体積当たりのESRは、約20mΩ・cc〜200mΩ・cc、約150mΩ・cc〜2Ω・cc、約1.5Ω・cc〜200Ω・cc、約150Ω・cc〜2000Ω・ccである。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、当該ウルトラキャパシタは、実質的に一定の電圧及び動作温度に維持されている間、約90パーセント未満の容量減少を示す。特定の実施形態において、AESを備えるウルトラキャパシタは、少なくとも1時間、例えば少なくとも10時間、例えば少なくとも50時間、例えば少なくとも100時間、例えば少なくとも200時間、例えば少なくとも300時間、例えば少なくとも400時間、例えば少なくとも500時間、例えば少なくとも1000時間にわたって、実質的に一定の電圧及び動作温度に維持されている間、約90パーセント未満の容量減少を示す。 AESを備えるウルトラキャパシタの所定の実施形態において、ウルトラキャパシタは、少なくとも1時間、例えば少なくとも10時間、例えば少なくとも50時間、例えば少なくとも100時間、例えば少なくとも200時間、例えば少なくとも300時間、例えば少なくとも400時間、例えば少なくとも500時間、例えば少なくとも1000時間にわたって、実質的に一定の電圧及び動作温度に維持されている間、約1000パーセント未満のESR増大を示す。 ある実施形態では、AESは、高温ウルトラキャパシタで使用される高度に精製された所定の電解質を備える。本明細書に開示されたAESを含む高度に精製された電解質は、以下に開示する電解質、並びに、本明細書において開示された精製プロセスにより精製された上述の新規な電解質である。本明細書で提示される精製方法は、例えば、摂氏約80度から摂氏約210度まで、摂氏約80度から摂氏約200度まで、摂氏約80度から摂氏約190度まで、摂氏約80度から摂氏約180度まで、摂氏約80度から摂氏約170度まで、摂氏約80度から摂氏約160度まで、摂氏約80度から摂氏約150度まで、摂氏約85度から摂氏約145度まで、摂氏約90度から摂氏約140度まで、摂氏約95度から摂氏約135度まで、摂氏約100度から摂氏約130度まで、摂氏約105度から摂氏約125度まで、又は摂氏約110度から摂氏約120度まで、の温度範囲で動作する高温ウルトラキャパシタのような高温用途で使用される、向上された特性を有するAESに適した不純物レベルをもたらす。 ウルトラキャパシタ10の改善された特性を得るとき、現在入手可能なものより良好な電解質系が必要となる。例えば、動作温度範囲を増大させることが、既知の所定形式の電解質から不純物を大幅に減少/除去することにより達成してもよいことが分かっている。特に懸念される不純物には、水、ハロゲン化物イオン(塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物)、自由アミン(アンモニア)、硫酸塩、及び金属カチオン(Ag、Al、Ba、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、Pb、Sr、Ti、Zn)が含まれる。したがって、本明細書に開示されたAESは、未精製の電解質に比較して、驚くほど優れた特性で精製されている、高度に精製された電解質製品を構成する。 特定の実施形態において、本発明は、カチオン9及びアニオン11及び(ある場合には)溶媒の精製された混合物を提供し、これは、約5000ppm未満の塩化物イオン、約1000ppm未満のフッ化物イオン、及び/又は約1000ppm未満の水を含むAESとして提供されてもよい。例えば、所定の実施形態において、AESは、約2000ppm未満の塩化物イオン、約200ppm未満のフッ化物イオン、及び/又は約200ppm未満の水を含んでもよく、約1000ppm未満の塩化物イオン、約100ppm未満のフッ化物イオン、及び/又は約100ppm未満の水を含んでもよく、約500ppm未満の塩化物イオン、約50ppm未満のフッ化物イオン、及び/又は約50ppm未満の水を含んでもよく、又は、約780ppm未満の塩化物イオン、約11ppm未満のフッ化物イオン、及び/又は約20ppm未満の水を含んでもよい。 概して、精製された電解質における不純物は、本明細書において開示された精製方法を使用して除去される。例えば、いくつかの実施形態において、ハロゲン化物イオン(塩化物、臭化物、フッ化物、ヨウ化物)の合計濃度を約1000ppm未満まで低下させてもよい。金属種(例えば、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mo、Na、Ni、Pb、Zn、それらの合金及び酸化物の少なくとも一方を含む)の合計濃度を約1000ppm未満まで低下させてもよい。さらに、合成プロセスにおいて使用される溶媒及び前駆体からの不純物は、約1000ppm未満まで低下させてもよく、これには、例えば、ブロモエタン、クロロエタン、1−ブロモブタン、1−クロロブタン、1−メチルイミダゾール、酢酸エチル、塩化エチレン等が含まれる。 いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ10の不純物含有量は、イオン選択電極及びカールフィッシャー滴定法を用いて測定され、これは、ウルトラキャパシタ10の電解質6に適用されてきた。ある実施形態では、本明細書の教示によるウルトラキャパシタ10内の合計塩化物含有量は、約200ppm未満の塩化物(Cl−及びF−)であり、水分含有量が約100ppm未満であることが分かった。 様々な技術、例えば、原子吸光分析法(Atomic Absorption Spectrometry:AAS)、誘導結合プラズマ質量分析法(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry:ICPMS)、若しくは、微量重金属酸化物の粒子を可溶化して電気化学的にセンシングする簡略化された方法を用いて、不純物を測定してもよい。AASは、ガス状態の自由原子による光放射(光)の吸収を用いる、化学元素の定量的かつ定性的決定のためのスペクトル分析法である。当該技術は、分析されるべきサンプルにおける特定の元素(被分析物)の濃度を決定するために使用される。AASは、溶液において、もしくは固体サンプルにおいて直接に、70個を越える異なる元素を決定するために使用可能である。ICPMSは、高い感度を有し、10^12分の1(part per trillion)未満の濃度の金属及びいくつかの非金属の範囲を決定することができる質量分析法である。この技術は、イオンを生成する方法(イオン化)としての誘導結合プラズマ法(ICP)を、イオンを分離して検出する方法としての質量分析法(MS)と組み合わせることに基づいている。ICPMSは、選択されたイオンについて、同位体特定をモニタリングすることもできる。 不純物を分析するために、追加の技術を用いてもよい。これらの技術のいくつかは、固体サンプル中における不純物を分析するのに特に有利である。イオンクロマトグラフィー(Ion Chromatography:IC)は、電解質6(例えばイオン液体)におけるハロゲン化物不純物の微量元素レベルを決定するために使用してもよい。イオンクロマトグラフィーの一つの利点は、単一のクロマトグラフィー分析において、関連のあるハロゲン化物種を測定することができることである。イオン液体からのハロゲン化物を定量化するために使用されうる装置の一例は、20mMのNaOH及び10%(v/v)のアセトニトリルからなる溶離剤を用いるディオネックス(Dionex)AS9−HCカラムである。別の技術は、蛍光X線を用いるものである。 固体サンプルにおけるハロゲン含有量を測定するため、蛍光X線分析(XRF)装置を使用してもよい。この技術において、分析されるべきサンプルはサンプルカップに配置され、次いで、サンプルカップは分析装置に配置される。分析装置において、特定の波長のX線により照射される。サンプル中のすべてのハロゲン原子はX線の一部を吸収し、その後、所定のハロゲンに特有の波長において放射を反射する。当該装置中の検出器は、ハロゲン原子から戻る放射量を定量化し、放射の強度を測定する。さらされる表面面積がわかれば、サンプル中のハロゲンの濃度を決定することができる。固体のサンプルにおける不純物を評価するためのさらなる技術は、熱分解によるものである。 不純物の吸収は、熱分解及びマイクロクーロメーターを使用することにより効率的に測定することができる。マイクロクーロメーターは、ほとんど全てのタイプの材料で合計塩素含有量をテストすることができる。一例として、少量(10ミリグラム未満)のサンプルが、石英燃焼管に投入されるか又は配置される。石英燃焼管において、温度は、摂氏約600度から摂氏約1000度までの範囲にわたる。純酸素が石英管を通過し、すべての塩素含有成分が完全に燃焼される。結果として得られる燃焼生成物は滴定セルに移動され、滴定セルにおいて、塩素イオンは電解質に捕捉される。電解質は銀イオンを含む。銀イオンは、任意の塩素イオンとすぐに結合し、不溶性の塩化銀として溶液から析出される。滴定セルにおける銀電極は、銀イオン濃度が滴定を始める前の濃度に戻るまで、消費された銀イオンを電気的に置き換える。必要とされる銀の量を発生させるために必要な電流量を追跡することにより、当該装置は、当初のサンプルにどれだけの量の塩素が存在していたかを決定することができる。存在する合計塩素量をサンプルの重量で除算することにより、実際にサンプル中に存在する塩素濃度が得られる。不純物を評価する他の技術を使用してもよい。 電極3における表面特性化及び水分含有量は、例えば、赤外線分光技術により試験されてもよい。約1130、1560、3250、及び2300cm−1の付近における4つの大きな吸収帯は、それぞれ、カルボニルのνC=O 、アリールのνC=C、νO−H、及びνC−Nに相当する。強度及びピーク位置を測定することにより、電極3内の表面不純物を定量的に同定することが可能である。 電解質6及びウルトラキャパシタ10における不純物を同定するための他の技術は、ラマン分光法である。この分光技術は、通常は可視光、近赤外、もしくは近紫外のレーザからの、単色光の非弾性散乱もしくはラマン散乱に基づく。レーザ光は、当該系における分子振動、フォノン、もしくは他の励起と相互作用し、その結果、レーザフォトンのエネルギーが上下にシフトされる。このように、当該技術は、ウルトラキャパシタ10内における原子及び分子を特性化するために使用してもよい。ラマン分光法の多数の変形物が使用され、ウルトラキャパシタ10の内容を特性化する際において有益であることが証明される。 ある特定の実施形態において、上記のカチオン及びアニオンの組み合わせを前提として、AESは、トリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド、1−ブチル−1−メチルピペリジニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド、及びブチルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドからなるグループから選択されてもよい。所定時間にわたる容量及びESRの測定により実証される、所定温度範囲で向上した性能特性を支持するデータは、高温での有用性及び長期の耐久性を示す。 ある実施形態において、AESは、トリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 ある実施形態において、AESは、1−ブチル−1−メチルピペリジニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 ある実施形態において、AESは、ブチルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 もう一つの実施形態において、本明細書に開示されたAESは、イミダゾリウム及びピロリジニウムからなるグループから選択された、図4に示すカチオンの任意の組み合わせを含み、さまざまな各分岐基Rx(例えばR1、R2、R3、…Rx)は、アルキル、ヘテロアルキル、アルケニル、ヘテロアルケニル、アルキニル、ヘテロアルキニル、ハロ、アミノ、ニトロ、シアノ、ヒドロキシル、サルフェート、スルホナート、及びカルボニル基からなるグループから選択されてもよく、これらはいずれもオプションで置換され、少なくとも2つのRxはHではなく(すなわち、R基の選択及び向きが図4に示すカチオン種を生成する)、アニオンは、テトラフルオロボラート、ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド、テトラシアノボラート、及びトリフルオロメタンスルホン酸からなるグループから選択される。ある特定の実施形態において、2つのRxは、Hではなく、アルキルである。さらに、記載されたカチオンは、高い熱的安定性並びに高い伝導性を示し、幅広い温度範囲にわたって良好な電気化学的特性を示す。 ある特定の実施形態において、上述のカチオン及びアニオンの組み合わせを前提として、AESは、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、1−ヘキシル3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸塩、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、及び1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸からなるグループから選択されてもよい。 ある実施形態において、AESは、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩である。 ある実施形態において、AESは、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 ある実施形態において、AESは、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩である。 ある実施形態において、AESは、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩である。 ある実施形態において、AESは、1−ヘキシル3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩である。 ある実施形態において、AESは、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 ある実施形態において、AESは、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸塩である。 ある実施形態において、AESは、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩である。 ある実施形態において、AESは、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸である。 もう1つの特定の実施形態において、2つのRxのうちの一方は、Hではなく、アルキル、例えばメチルであり、他方は、アルコキシで置換されたアルキルである。さらに、当該分子において式(1)のN,Oアセタール骨格構造を有するカチオンが高い電気伝導性を有することと、これらのカチオンに含まれ、ピロリジン骨格及びN,Oアセタール基を有するアンモニウムカチオンが特に高い電気伝導性及び有機溶媒中の溶解度を有し、比較的に高い電圧をサポートする、ということが分かってきた。そのため、ある実施形態において、AESは次式の塩を備える。
ここで、R1及びR2は、同じであっても異なっていてもよく、それぞれアルキルである。X−はアニオンである。一部の実施形態において、R1は、1〜4個の炭素原子を有する直鎖状もしくは分岐状アルキルである。R2はメチルもしくはエチルである。X−はシアノボラートを含むアニオン11である。特定の実施形態において、X−は[B(CN)]4を含み、R2はメチル基又はエチル基の一方である。もう1つの特定の実施形態において、R1とR2の両方がメチルである。さらに、ある実施形態において、本明細書に開示されたAESに適したシアノボラートアニオン11、X−には、[B(CN)4]−もしくは[BFn(CN)4−n]−が含まれる。ここで、n=0、1、2又は3である。 ある実施形態ではテトラシアノボラートと結合されてもよい、化学式(1)のカチオンの例は、N−メチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−エチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−メトキシメチル−N−n−プロピルピロリジニウム、N−メトキシメチル−N−イソプロピルピロリジニウム、N−n−ブチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−イソブチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−tert−ブチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、N−エトキシメチル−N−メチルピロリジニウム、N−エチル−N−エトキシメチルピロリジニウム(N−エトキシメチル−N−エチルピロリジニウム)、N−エトキシメチル−N−n−プロピルピロリジニウム、N−エトキシメチル−N−イソプロピルピロリジニウム、N−n−ブチル−N−エトキシメチルピロリジニウム、N−イソブチル−N−エトキシメチルピロリジニウム、及びN−tert−ブチル−N−エトキシメチルピロリジニウムである。他の例は、N−メチル−N−メトキシメチルピロリジニウム(N−メトキシメチル−N−メチルピロリジニウム)、N−エチル−N−メトキシメチルピロリジニウム、及びN−エトキシメチル−N−メチルピロリジニウムを含む。 追加のアニオンと組み合わされる化学式(1)のカチオンの追加の例は、N−メチル−N−メトキシメチルピロリジニウムテトラシアノボラート、N−エチル−N−メトキシメチルピロリジニウムテトラシアノボラート、N−エトキシメチル−N−メチルピロリジニウムテトラシアノボラート、N−メチル−N−メトキシメチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルフォニルイミド、(N−メトキシメチル−N−メチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルフォニルイミド)、N−エチル−N−メトキシメチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルフォニルイミド、N−エトキシメチル−N−メチルピロリジニウムビストリフルオロメタンスルフォニルイミド、N−メチル−N−メトキシメチルピロリジニウムトリフルオロメタンスルフォレート、及び(N−メトキシメチル−N−メチルトリフルオロメタンスルフォレート)から選択してもよい。 電解質として使用されるとき、第四級アンモニウム塩は、適切な有機溶媒と混合して使用してもよい。有用な溶媒には、環状炭酸エステル、直鎖状炭酸エステル、リン酸エステル、環状エーテル、直鎖状エーテル、ラクトン化合物、直鎖状エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、及びスルホン化合物が含まれる。そのような化合物の例が、以下に示されている。しかしながら、使用されるべき溶媒は、これらの化合物に限定されない。 環状炭酸エステルの例は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン等であり、これらの中で炭酸プロピレンが好ましい。 直鎖状炭酸エステルの例は、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチル等であり、これらの中で炭酸ジメチル及び炭酸エチルメチルが好ましい。 リン酸エステルの例は、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸エチルジメチル、リン酸ジエチルメチル等である。環状エーテルの例は、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどである。直鎖状エーテルの例は、ジメトキシエタンなどである。ラクトン化合物の例は、γ−ブチロラクトン等である。直鎖状エステルの例は、プロピオン酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、蟻酸メチル等である。ニトリル化合物の例は、アセトニトリル等である。アミド合成物の例は、ジメチルホルムアミドなどである。スルホン化合物の例は、スルホラン、メチルスルホラン等である。いくつかの実施形態において、環状炭酸エステル、直鎖状炭酸エステル、ニトリル化合物、及びスルホン化合物は、特に好ましい。 これらの溶媒は、単一で使用してもよいし、もしくは、少なくとも2種の溶媒を混合して使用してもよい。好ましい有機溶媒混合物の例は、環状炭酸エステル及び直鎖状炭酸エステルの混合物、例えば、炭酸エチレンと炭酸ジメチルとの混合物、炭酸エチレンと炭酸エチルメチルとの混合物、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの混合物、炭酸プロピレンと炭酸ジメチルとの混合物、炭酸プロピレンと炭酸エチルメチルとの混合物、及び、炭酸プロピレンと炭酸ジエチルとの混合物、直鎖状炭酸エステルの混合物、例えば、炭酸ジメチルと炭酸エチルメチルとの混合物、並びに、スルホラン化合物の混合物、例えば、スルホランとメチルスルホランとの混合物である。さらに好ましくは、炭酸エチレンと炭酸エチルメチルとの混合物、炭酸プロピレンと炭酸エチルメチルとの混合物、並びに、炭酸ジメチルと炭酸エチルメチルとの混合物である。 いくつかの実施形態において、本発明の第四級アンモニウム塩が電解質として使用されるとき、電解質濃度は少なくとも0.1Mであり、一部の場合には少なくとも0.5Mであり、少なくとも1Mであってもよい。仮に濃度が0.1M未満である場合、低電気伝導性が得られ、低下した性能を有する電気化学装置をもたらす。電解質が室温で液体の塩である場合、濃度の上限値は分離濃度である。溶液が分離しないとき、リミットの濃度は100%である。塩が室温で固体である場合、リミットの濃度は、溶液に塩が飽和する濃度である。 ある実施形態では、組み合わせることが、AESを利用することによる利点に有意な悪影響を与えない限り、例えば、性能もしくは耐久特性を10%より大きく変えない限り、AESに、本明細書において開示されたもの以外の電解質を混合してもよい。AESと混合されるのに適している可能性がある電解質の例は、アルカリ金属塩、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩等である。これらの電解質は、単一で使用されてもよく、それらの少なくとも2種が組み合わされて使用され、本明細書に開示されたAESと混合される。有用なアルカリ金属塩には、リチウム塩、ナトリウム塩、及びカリウム塩が含まれる。そのようなリチウム塩の例は、六フッ化リン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、過塩素酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、スルホニルイミドリチウム、スルホニルメチドリチウム等であるが、しかしながら、これらに限定されることはない。有用なナトリウム塩の例は、六フッ化リン酸ナトリウム、ホウフッ化ナトリウム、過塩素酸ナトリウム、トリフルオロメタンスルホン酸ナトリウム、スルホニルイミドナトリウム、スルホニルメチドナトリウム等である。有用なカリウム塩の例は、六フッ化リン酸カリウム、ホウフッ化カリウム、過塩素酸カリウム、トリフルオロメタンスルホン酸カリウム、スルホニルイミドカリウム、スルホニルメチドカリウム等である。しかしながら、これらは限定されるものではない。 上述の組み合わせ(すなわち、AESの利用により達成される利点に有意な影響を与えない)において使用されうる有用な第四級アンモニウム塩には、テトラアルキルアンモニウム塩、イミダゾリウム塩、ピラゾリウム塩、ピリジニウム塩、トリアゾリウム塩、ピリダジニウム塩等が含まれるが、しかしながら、これらに限定されることはない。有用なテトラアルキルアンモニウム塩の例は、テトラエチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラメチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラプロピルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラブチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、トリエチルメチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩,トリメチルエチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、ジメチルジエチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、トリメチルプロピルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、トリメチルブチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、ジメチルエチルプロピルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、メチルエチルプロピルブチルアンモニウムテトラシアノホウ酸塩、N,N−ジメチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N−エチル−N−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N−エチル−N−プロピルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N,N−ジメチルピペリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N−メチル−N−エチルピペリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N−メチル−N−プロピルピペリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N−エチル−N−プロピルピペリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N,N−ジメチルテトラシアノホウ酸塩、N−メチル−N−エチルモルホリニウムテトラシアノホウ酸塩、N−メチル−N−プロピルモルホリニウムテトラシアノホウ酸塩、N−エチル−N−プロピルモルホリニウムテトラシアノホウ酸塩などであるが、これらの例に限定するものではない。 上述の組み合わせ(すなわちAESの利用により達成される利点に有意な影響を与えない)において使用されうるイミダゾリウム塩の例には、1,3−ジメチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、1,3−ジエチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、1,2−ジメチル−3−エチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩、及び1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩が含まれるが、これらに限定されることはない。ピラゾリウム塩の例は、1,2−ジメチルピラゾリウムテトラシアノホウ酸塩、1−メチル−2−エチルピラゾリウムテトラシアノホウ酸塩、1−プロピル−2−メチルピラゾリウムテトラシアノホウ酸塩、及び1−メチル−2−ブチルピラゾリウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。ピリジニウム塩の例は、N−メチルピリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N−エチルピリジニウムテトラシアノホウ酸塩、N−プロピルピリジニウムテトラシアノホウ酸塩、及びN−ブチルピリジニウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。トリアゾリウム塩の例は、1−メチルトリアゾリウムテトラシアノホウ酸塩、1−エチルトリアゾリウムテトラシアノホウ酸塩、1−プロピルトリアゾリウムテトラシアノホウ酸塩、及び1−ブチルトリアゾリウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。ピリダジニウム塩の例は、1−メチルピリダジニウムテトラシアノホウ酸塩、1−エチルピリダジニウムテトラシアノホウ酸塩、1−プロピルピリダジニウムテトラシアノホウ酸塩、及び1−ブチルピリダジニウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。第四級ホスホニウム塩の例は、テトラエチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラメチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラプロピルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、テトラブチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、トリエチルメチルホスホニウムテトラフルオロホウ酸塩、トリメチルエチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、ジメチルジエチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、トリメチルプロピルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、トリメチルブチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、ジメチルエチルプロピルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩、メチルエチルプロピルブチルホスホニウムテトラシアノホウ酸塩であるが、これらに限定されることはない。 本明細書に開示されたAESは、所定の実施形態では、性能又は耐久性の有意な低下なしで、摂氏−40度から摂氏210度まで、例えば、摂氏−40度から摂氏150度まで、例えば、摂氏−30度から摂氏150度まで、例えば、摂氏−30度から摂氏140度まで、例えば、摂氏−20度から摂氏140度まで、例えば、摂氏−20度から摂氏130度まで、例えば、摂氏−10度から摂氏130度まで、例えば、摂氏−10度から摂氏120度まで、例えば、摂氏0度から摂氏120度まで、例えば、摂氏0度から摂氏110度まで、例えば、摂氏0度から摂氏100度まで、例えば、摂氏0度から摂氏90度まで、例えば、摂氏0度から摂氏80度まで、例えば、摂氏0度から摂氏70度までの温度範囲での使用に適した電解質の所定の組み合わせを備えてもよい。 概して、与えられた温度におけるより高い耐久性は、より低い温度におけるより高い電圧安定性と同時に得られる。従って、電解質の組み合わせを含む高温AESの開発は、概して、高電圧ただし低温のAESを同時に開発することになる。したがって、本明細書で説明した電解質の組み合わせは、より高い電圧、したがってより高いエネルギー密度において、ただしより低い温度でも有用である可能性がある。 ある実施形態では、本明細書で開示した電解質の組み合わせは、第2のイオン液体に混合されるイオン液体と、有機溶媒に混合されるイオン液体と、第2のイオン液体及び有機溶媒に混合されるイオン液体とからなるグループから選択された新規な電解質の混合物を含むエネルギー貯蔵セル、例えばウルトラキャパシタにおける使用に適している。ここで、各イオン液体は、次のカチオン及びアニオンの任意の組み合わせの塩から選択される。カチオンは、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ヘキシル3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−1−メチルピペリジニウム、ブチルトリメチルアンモニウム、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム、トリヘキシルテトラデシルホスホニウム、及び1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムからなるグループから選択され、アニオンは、テトラフルオロボラート、ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド、テトラシアノボラート、及びトリフルオロメタンスルホナートからなるグループから選択される。有機溶媒は、直鎖状スルホン(例えば、エチルイソプロピルスルホン、エチルイソブチルスルホン、エチルメチルスルホン、メチルイソプロピルスルホン、イソプロピルイソブチルスルホン、イソプロピル s−ブチルスルホン、ブチルイソブチルスルホン、及びジメチルスルホン)、直鎖状炭酸塩(例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、及び炭酸ジメチル)、及びアセトニトリルからなるグループから選択される。 例えば、上述のカチオン及びアニオンの組み合わせを前提とすると、各イオン液体は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩;1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド;1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩;1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩;1−ヘキシル3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩;1−ブチル−1−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド;1−ブチル−1−メチルピロリジニウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸塩;1−ブチル−1−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩;トリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド、1−ブチル−1−メチルピペリジニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド、ブチルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド、及び1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸からなるグループから選択されてもよい。 ある実施形態では、イオン液体は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩である。 ある実施形態では、イオン液体は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 ある実施形態では、イオン液体は、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩である。 ある実施形態では、イオン液体は、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩である。 ある実施形態では、イオン液体は、1−ヘキシル3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩である。 ある実施形態では、イオン液体は、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 ある実施形態では、イオン液体は、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸塩である。 ある実施形態では、イオン液体は、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩である。 ある実施形態では、イオン液体は、トリヘキシルテトラデシルホスホニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 ある態様では、イオン液体は、1−ブチル−1−メチルピペリジニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 ある態様では、イオン液体は、ブチルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドである。 ある態様では、イオン液体は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸である。 ある実施形態では、有機溶媒は、エチルイソプロピルスルホン、エチルイソブチルスルホン、エチルメチルスルホン、メチルイソプロピルスルホン、イソプロピルイソブチルスルホン、イソプロピル s−ブチルスルホン、ブチルイソブチルスルホン、若しくはビメチルスルホン、直鎖状スルホンから選択される。 ある実施形態では、有機溶媒は、炭酸ポリプロピレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸エチレンから選択される。 ある実施形態では、有機溶媒はアセトニトリルである。 ある実施形態では、AESは、有機溶媒を有するイオン液体であり、当該有機溶媒は、当該組成物の55体積%〜90体積%、例えば37.5体積%である。 ある実施形態では、AESは、第2のイオン液体を有するイオン液体であり、一方のイオン液体は、当該組成物の5体積%〜90体積%、例えば60体積%である。 本明細書に開示されたAES(例えば、本明細書に提示した特有の組み合わせを有する)は、それぞれのキャパシタについての拡大した温度範囲性能(例えば、2つの温度間で遷移する場合、容量の有意な減少及び/又はESRの有意な増大が生じないこと、例えば、摂氏約+30度から摂氏約−40度に遷移する場合、90%を越える容量減少及び/又は1000%を越えるESR増大が生じないこと)と、それぞれのキャパシタについての増大した温度耐性(例えば、与えられた時間後の与えられた温度において50%未満の容量低下、及び/又は与えられた時間後の与えられた温度において100%未満のESR増大、及び/又は与えられた時間後の与えられた温度において10A/L未満の漏れ電流、例えば、40%未満の容量減少及び/又は75%未満のESR増大、及び/又は5A/L未満の漏出電流、例えば30%未満の容量減少及び/又は50%未満のESR増大、及び/又は1A/L未満の漏出電流)とを可能にする。 理論により拘泥されることを望まないが、上述の組み合わせは、摂氏−40度未満の温度まで性能及び耐久性基準内で動作するウルトラキャパシタを提供するために、AESの凝固点に影響を与える改良された共晶特性を示す。 所定の実施形態において、AESによって提供される優れた特性は、本明細書に開示した電解質を、本明細書に開示されたウルトラキャパシタにそれらを組み込む前に精製することで達成することができる。そのような精製は、当該技術分野において認められている技術もしくは本明細書において提供される技術を用いて実施可能である。この精製は、本明細書で説明したAESの特性をさらに改善する可能性がある。 ある実施形態では、AESは、混入物質を除去するために、また、本明細書において記載された所望の向上された性能特性を提供するために精製される。例えば、本開示は、AESを精製する方法を提供し、上記方法は、AESに水を混合して第1の混合物を提供するステップと、上記第1の混合物を分離するステップと、上記第1の混合物から上記AESを収集するステップと、上記収集された液体に溶媒を加えて第2の混合物を提供するステップと、上記第2の混合物に炭素を混合して第3の混合物を提供するステップと、上記第3の混合物から上記AESを分離して、精製されたAESを取得するステップとを含む。概して、本プロセスは、電解質を選択し、制御された条件下、脱イオン化水及び活性炭素を加えることを要求する。この脱イオン化水並びに活性炭素は後で除去され、それにより、実質的に精製された電解質がもたらされる。精製された電解質は、とりわけ、ウルトラキャパシタにおける使用に適している。 この方法は、AESの高い清浄度を保証するために使用されてもよい。本プロセスは、特定のパラメータ(量、定式化、時間等)の観点で提示されているが、この提示は、電解質を精製するためのプロセスの単なる例示及び説明であって、それを制限するものではない。 例えば、本発明は、さらに、次のステップもしくは特徴のうちの1つ以上を含んでいてもよい。本発明は、第1の混合物を加熱するステップを含む。分離することは、水及びAESが実質的に分離されるまで、第1の混合物を乱されない状態に保たせることを含む。溶媒を加えることには、ジエチルエーテル、ペントン、シクロペントン、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、1−4ジオキサン、及びクロロホルムの少なくとも一種を加えることを含む。炭素を混合することには、炭素粉末を混合することが含まれる。炭素を混合することには、第3の混合物を実質的に一定に撹拌することが含まれる。AESを分離することには、第3の混合物から炭素を濾過すること、及び、第3の混合物から溶媒を蒸発させることの少なくとも一方を含む。 電解質を精製するためのプロセスの第1のステップにおいて、電解質6(いくつかの実施形態においては、イオン液体)は、脱イオン化水と混合され、その後、いくらかの期間、中程度の温度まで昇温される。概念実証において、50ccのイオン液体は850ccの脱イオン化水と混合された。混合物は、約12時間、摂氏60度の一定温度まで昇温され、一定(毎分120回転(rpm))の撹拌に供した。 第2のステップにおいて、イオン液体と脱イオン化水との混合物は、分離が可能にされる。この例において、混合物は漏斗を介して移され、約4時間置かれた。 第3のステップにおいて、イオン液体を収集する。この例において、下部に混合物の水の相が存在し、上部にイオン液体の相が存在する。イオン液体の相は、他のビーカーに移される。 第4のステップにおいて、溶媒をイオン液体と混合した。この例において、容積約25ccの酢酸エチルはイオン液体と混合された。この混合物は、再度、中程度の温度まで昇温され、ある程度の時間にわたって撹拌された。 溶媒としてエチルアセテートを使用しているけれども、溶媒は、ジエチルエーテル、ペントン、シクロペントン、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、1−4ジオキサン、クロロホルムもしくはそれらの任意の組み合わせ、並びに、適切な性能特性を示す他の1つ又は複数の材料のうちの少なくとも1つであってもよい。所望の性能特性の一部には、非極性の溶媒、並びに、高い揮発性のものが含まれる。 第5のステップにおいて、イオン液体と溶媒との混合物に炭素粉末を加える。この例において、この混合物に、約20質量%(wt%)の(約0.45μmの直径の)炭素を加えた。 第6のステップにおいて、イオン液体を再度混合した。この例において、炭素粉体を含む混合物を、約70℃で一晩、一定の撹拌(例えば120rpm)に供した。 第7のステップにおいて、炭素とエチルアセテートとをイオン液体から分離した。この例において、炭素は、ガラスマイクロファイバーフィルターによるブフナー濾過を用いて分離した。多段濾過(3段)を実行した。炭素粒子の実質的にすべてを除去するため、収集されたイオン液体を、その後、0.2μmシリンジフィルタに通過させた。この例において、その後、回転蒸発を採用することにより、溶媒をイオン液体から分離した。具体的には、イオン液体のサンプルは、温度を摂氏70度から摂氏80度まで増加させながら撹拌され、摂氏100度において終了した。蒸発は、それぞれの温度において、約15分間にわたって実行された。 電解質を精製するプロセスは、非常に効果的であることが証明された。サンプルのイオン液体について、水分含有量は、米国オハイオ州コロンバスのメトラー−トレドインコーポレイテッド(Mettler-Toledo Inc.)により提供される滴定装置(モデルナンバー:AQC22)を用いた滴定により測定された。ハロゲン化物含有量は、米国ロードアイランド州ウッドソケットのハンナインsツルメンツ(Hanna Instruments)により提供されるISE装置(モデルナンバー:AQC22)により測定した。ISE装置のための標準的な溶液は、ハンナから得られ、HI4007−03(1000ppm塩化物標準)、HI4010−03(1000ppmフッ化物標準)、HI4000−00(ハロゲン化物電極のISA)、及びHI4010−00(フッ化電極のみのTISAB溶液)が含まれていた。測定を実行する前において、ISE装置は、0.1、10、100、及び1,000ppmの標準を用いて、標準溶液で較正され、脱イオン水と混合された。ISAバッファは、Cl−イオンの測定のために、1:50比で標準に追加された。 結果を表2に示す。
ハロゲン化物イオンを測定するために、4ステップのプロセスが使用された。まず、塩化物(cl−)及びフッ化物(F−)イオンは、脱イオン化水において測定された。次に、0.01Mのイオン液体溶液を脱イオン化水で調製した。続いて、塩化物(cl−)及びフッ化物(F−)イオンが溶液において測定された。その後、当該溶液中のイオンの量から水中のイオンの量を差し引くことにより、ハロゲン化物含有量の評価値が決定された。 また、漏れ電流の分析により、電解質の汚染成分に関して精製標準が試験された。同様の構造を有するウルトラキャパシタ10における精製された電解質の漏れ電流は、初期漏れ電流では実質的に減少し、測定期間の後の部分では漏れ電流が緩やかに減少する。表3に、各実施形態の構成についてのより多くの情報が与えられている。
ウルトラキャパシタ10の抵抗及び容量の安定性の改善を含む他の利点も達成される。 漏れ電流は、多数の方法で決定可能である。定性的には、漏れ電流は、一旦装置が平衡状態に達したとき、当該装置内に流れ込む電流であると考えられる。実際、概して漸近的に近づくだけの可能性がある平衡状態として、実際の漏れ電流を概算することが、常にもしくは殆ど常に必要である。そのため、所定の測定における漏れ電流は、ウルトラキャパシタ10を比較的長い時間期間にわたって実質的に固定された電圧に保持し、かつ、実質的に固定された周囲の温度にさらしている間、ウルトラキャパシタ10に流れ込む電流を測定することにより概算することができる。いくつかの例において、比較的長い時間期間は、電流時間関数を指数関数で近似し、その後、いくつか(例えば約3〜5個)の特性時定数をわたすことにより決定してもよい。通常、そのような期間は、多くのウルトラキャパシタ技術について、約50時間から約100時間におよぶ。別の態様では、このような長い時間期間が何らかの理由で実用的でない場合、再度、ことによると、電流時間関数を指数関数、もしくは適当と認められる任意の近似関数で近似することにより、漏れ電流は単に外挿されてもよい。とりわけ、漏れ電流は、概して、周囲の温度に依存するであろう。ある温度において、もしくはある温度範囲において装置の性能を特徴づけるため、概して、漏れ電流を測定する際に関心対象の周囲温度に装置をさらすことが重要である。 特定の温度において体積当たりの漏れ電流を減少させるための1つのアプローチは、その温度における動作電圧を低下させることである。特定の温度において体積当たりの漏れ電流を減少させるための他のアプローチは、ウルトラキャパシタのボイド体積を増加させることである。また、漏れ電流を減少させるためのさらに別のアプローチは、電極3においてエネルギー貯蔵媒体1の負荷を減少させることである。 電解質及びイオン液体の精製のための実施形態の態様を開示したが、様々な態様を実現してもよいことは認識されるべきである。さらに、様々な技術を実施してもよい。例えば、ステップは、ステップの順番等について調整されてもよい。 ii.電極 再び図3を参照すると、ウルトラキャパシタ10は、少なくとも一対の電極3(ここで、各電極3は、単に本明細書での参照を目的として、負極3(a)又は正極3(b)として呼ばれることがある)を備える貯蔵セル12を備える。ウルトラキャパシタ10に組み込まれ、かつ、貯蔵セル12にわたって電位Vが印加されたとき、各電極3は、電解質界面において電荷二重層をもたらす。一部の実施形態において、複数の電極3が含まれる。例えば、一部の実施形態において、ウルトラキャパシタは2対以上の電極3(a)及び3(b)を備える。しかしながら、議論の目的のために、ただ一対の電極3(a)及び3(b)を示す。本明細書では慣行として、エネルギー貯蔵を行うために、電極3の少なくとも一方が、炭素に基づくエネルギー貯蔵媒体(本明細書においてさらに議論されている)を使用する。しかしながら、本明細書における議論のため、概して、各電極は炭素に基づくエネルギー貯蔵媒体1を含むことを想定する。 1.集電体 各電極3は各集電体2(「current collector」又は「charge collector」)を含む。いくつかの実施形態において、炭素に基づくエネルギー貯蔵媒体1は、一方もしくは両方の電極3に含まれなくてもよい。換言すれば、いくつかの実施形態において、各電極3は、集電体2のみからなっていてもよい。集電体2を提供するために使用される材料は、その表面領域を増加させるために、粗面化、陽極酸化等の処理が行われてもよい。これらの実施形態において、集電体2のみが電極3として機能してもよい。しかしながら、これを考慮に入れ、本明細書において使用されているように、用語「電極3」は、概して、エネルギー貯蔵媒体と集電体2との組み合わせを意味する(しかしながら、少なくとも前述の理由により、これに限定しない)。集電体は、アルミニウム、銅、又は他の導体金属及び合金のような、当該技術において既知の任意の導体材料も含んでもよい。 2.エネルギー貯蔵媒体 例示的なウルトラキャパシタ10において、エネルギー貯蔵媒体1は、カーボンナノチューブから構成される。エネルギー貯蔵媒体1は、例えば、活性炭、カーボンファイバー、レーヨン、グラフェン、エアロゲル、カーボンクロス、及び複数の形態のカーボンナノチューブを含む、他の炭素材料を含んでいてもよい。活性炭電極は、例えば、炭素化合物の炭化により得られる炭素材料に対して第1の活性化処理を行うことによって炭素に基づく材料を生成すること、炭素に基づく材料にバインダーを加えることにより成形体を製造すること、成形体を炭化すること、および最後に、炭化された成形体に第2の活性化処理を行うことにより活性炭電極を生成することによって製造され得る。カーボンファイバー電極は、例えば、大きな表面積を有するカーボンファイバーを含有するペーパーもしくはクロースプレフォームにより製造されてもよい。 カーボンナノチューブを製造するための例示的な方法において、整列されたカーボンナノチューブ凝集体を生成するための装置は、その表面に触媒を有するベース材料上に、整列されたカーボンナノチューブ凝集体を合成させる装置を含む。当該装置は、触媒を取り囲む環境を還元ガスの環境として、少なくとも触媒及び還元ガスのいずれかを加熱する形成ステップを行う形成ユニットと、触媒を取り囲む環境を未処理の材料ガスの環境として、少なくとも触媒及び未処理の材料ガスのいずれかを加熱することにより、整列されたカーボンナノチューブ凝集体を合成する成長ステップを行う成長ユニットと、少なくとも形成ユニットから成長ユニットまでベース材料を搬送する搬送ユニットとを含む。整列されたカーボンナノチューブ凝集体を提供するため、他の様々な方法及び装置を採用してもよい。 いくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵媒体1を形成するために使用される材料には、純粋な炭素(現在存在しているか、もしくは後で開発される様々な形態の炭素)以外の材料が含まれていてもよい。換言すれば、他の材料の様々な形成物がエネルギー貯蔵媒体1内に含まれていてもよい。より具体的には、非限定的な例として、少なくとも1つのバインダー材料をエネルギー貯蔵媒体1において使用してもよい。しかしながら、これは、他の材料(バインダー材料等)を加えることを提案もしくは要求するものではない。しかしながら、概して、エネルギー貯蔵媒体1は実質的に炭素から形成され、それゆえ、本明細書においては、「炭素材料」、「炭素層」、及び他の同様の用語で呼ぶことがある。端的に言えば、大部分が炭素で形成されているけれども、エネルギー貯蔵媒体1は、エネルギー貯蔵媒体1として所望の機能を提供するため、任意の形態の炭素(適切もしくは許容可能とみなされる任意の添加物もしくは不純物)を含んでいてもよい。 一組の実施形態において、炭素材料には、少なくとも約60質量%の炭素原子を含む。他の実施形態において、少なくとも約75%、85%、90%、95%、もしくは98%の炭素原子を含む。 炭素材料は、カーボンブラック、グラファイト、及びその他を含む、様々な形態の炭素を含みうる。炭素材料は、ナノチューブ、ナノロッド、グラフェンシートなどを含む炭素粒子を含んでいてもよい。グラフェンシートは、シート状、及び/又は円錐状、ロッド状、球状(バッキーボール)等に形成される。 エネルギー貯蔵媒体1における使用に適した様々な形態の炭素材料のいくつかの実施形態が、本明細書において例として提供されている。これらの実施形態は、頑健なエネルギー貯蔵装置を提供し、電極3における使用に適している。これらの例は例示であり、エネルギー貯蔵媒体1における使用に適した炭素材料の実施形態を限定するものではないことに留意すべきである。 ある態様では、各電極のエネルギー貯蔵媒体1の多孔率は、キャパシタの性能を改善するため、それぞれの電解質のサイズに依存して選択されてもよい。 ここで、電極3を提供するためエネルギー貯蔵媒体1に集電体2を付加する例示的なプロセスを提示する。ここで図2を参照すると、カーボンナノチューブ凝集体(CNT)の形態の炭素材料のホストとなる基板14が示されている。示された実施形態において、基板14には、その上に配置された触媒18の薄い層を有するベース材料17が含まれる。 概して、基板14は、少なくともいくから可撓性を有し(すなわち、基板14は脆弱ではない)、エネルギー蓄積媒体1(例えばCNT)の析出のため環境に耐えうる成分から構成される。例えば、基板14は、摂氏約400度から摂氏約1100度の高温環境に耐えることができる。様々な材料が、適切であると決定されて基板14のために使用可能である。 エネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)を基板14上に形成した後、その上に集電体2を配置してもよい。いくつかの実施形態において、集電体2は、約0.5マイクロメートル(μm)〜約25マイクロメートル(μm)の厚さを有する。いくつかの実施形態において、集電体2は、約20マイクロメートル(μm)〜約40マイクロメートル(μm)の厚さを有する。集電体2は、化学気相成長法(chemical vapor deposition:CVD)、スパッタリング、電子ビーム、熱蒸着、もしくは他の適切な技術により塗布される層等の薄層として現れてもよい。概して、集電体2は、導電性、電気化学的に不活性であること、及びエネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)と化学反応を起こさないこと、などのその特性のために選択される。いくつかの例示的な材料には、アルミニウム、プラチナ、金、タンタル、チタンが含まれ、他の材料並びに様々な合金が含まれていてもよい。 集電体2がエネルギー蓄積媒体1(例えばCNT)の上に配置されると、電極素子15が実現される。各電極素子15をそれぞれ電極3として使用してもよく、又は、少なくとももう1つの電極素子と接続して電極3をとしてもよい。 いったん集電体2が所望の基準にしたがって製造されると、製造後処理を行ってもよい。例示的な後処理には、わずかな酸化環境においてエネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)を加熱及び冷却することが含まれる。製造(及びオプションの後処理)の後、移送ツールを集電体2に適用してもよい。 集電体2へ移送ツール13を適用する一実施形態において、移送ツール13は、「ドライ」な移送方法において使用される熱解放テープである。典型的な熱解放テープは、米国カリフォルニア州フリーモント及び日本国大阪の日東電工により製造されている。1つ適切な転送テープはREVALPHAとして販売されている。この解放テープは、室温でしっかりと接着し、加熱により剥離されうる接着テープとして特徴づけられうる。このテープ、及び他の適切な実施形態の熱解放テープは、予め決められた温度において解放される。好ましくは、解放テープは、電極素子15上に化学的に活性な残留物を残さない。 「ウェット」な移送方法と称される他のプロセスでは、化学的に解放されるように設計されたテープを使用してもよい。いったん貼り付けられると、テープは、その後、溶媒中に浸漬することにより除去される。当該溶媒は、接着剤を溶解するように設計されている。 他の実施形態では、移送ツール13は、例えば集電体2に吸気力を適用すること等、「空気式」の方法を用いる。吸気力は、例えば、吸引力を分配するための複数の孔を有する、わずかに大きなサイズを有するパドルを介して適用される。もう1つの例において、吸引力は、吸引を分配するための複数の孔を有するローラーによって適用される。吸引力駆動の実施形態は、電気的に制御され、移送プロセスの一部として消費材料が使用されないので経済的であるという利点を提供する。移送ツール13の他の実施形態を使用してもよい。 いったん移送ツール13が集電体2に一時的に接続されると、電極素子15は、基板14から徐々に除去される。当該除去は、概して、エネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)を基板14から剥離すること、基板14及びエネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)の一の端部において開始することを含む。 続いて、移送ツール13は電極素子15から分離されてもよい。いくつかの実施形態において、電極素子15を設置するために移送ツール13が使用される。例えば、移送ツール13は、電極素子15をセパレータ5上に配置するために使用してもよい。概して、いったん基板14から除去されると、電極素子15は使用可能になる。 大きな電極3が望まれる場合には、複数の電極素子15が一体化されてもよい。複数の素子15は、例えば、複数の電極素子15のうちの各電極素子15に接続部52を接続することにより一体化されてもよい。一体化された電極素子15は、電極3の一実施形態となる。 いくつかの実施形態において、接続部22は、各電極素子15と溶接部21で接続されている。各溶接部21は、超音波溶接部21として提供されてもよい。超音波溶接技術は、各溶接部21を提供することに特に適していることが分かってきた。すなわち、概して、エネルギー貯蔵媒体1(例えばCNT)の凝集体は、溶接部と化学反応を起こさない。溶接部においては、本明細書において開示されたような名目上の集電体のみが用いられる。結果として、電極素子15を接合するための多くの技術は破壊的であり、素子15に損傷を与える。しかしながら、他の実施形態では他の形態の接続が使用され、接続部22は溶接部21でない。 接続部22は、薄膜、メッシュ、複数のワイヤ、もしくは他の形態であってもよい。概して、接続部22は、導電性、及び電気化学的に不活性であること、などの特性から選択される。いつかの実施形態において、接続部22は、集電体2に存在するものと同じ1つ又は複数の材料から製造される。 いくつかの実施形態において、接続部22は、その上の酸化物層を除去することにより調製される。酸化物は、例えば、溶接部21を提供する前に、接続部22をエッチングすることにより除去してもよい。エッチングは、例えば、水酸化カリウム(KOH)により達成されてもよい。電極3は、ウルトラキャパシタ10の様々な実施形態で使用されてもよい。例えば、電極3は巻回されて、「ゼリーロール」タイプのエネルギー貯蔵装置内に配置されてもよい。 iii.セパレータ 本明細書に開示されたウルトラキャパシタの所定の実施形態において、電極3(a)及び3(b)はセパレータ5によって分離される。概して、セパレータ5は、正極3(b)から負極3(a)を分離するために使用される薄型構造材料(通常はシート)である。セパレータ5はさらに、各ペアの電極3を他のペアの電極3から分離するように作用してもよい。セパレータ5は、様々な材料から製造されてもよい。いくつかの実施形態において、セパレータ5は不織布ガラスである。セパレータ5は、ガラスファイバー、セラミックス、及び、例えばドイツ国ウィルミントンのデュポンケミカルズ(DuPont Chemicals)によりテフロン(登録商標)として販売されているポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の、フッ素ポリマーから製造されていてもよい。例えば、不織布ガラスを用いて、セパレータ5は、主ファイバーとバインダーファイバーとを含んでいてもよい。ここで、バインダーファイバーは、各主ファイバーのものより小さなファイバー直径をそれぞれ有し、主ファイバーを一体に結合させる ウルトラキャパシタ10の長寿命化のため、そして、高温において性能を確保するため、セパレータ5は、減少した量の不純物を有し、特に非常に限られた水分含有量を有するべきである。特に、化学反応を減少させ、ウルトラキャパシタ10の寿命を改善し、高温の用途において良好な性能を提供するため、約200ppmの水分の制約が望ましいことがわかっている。セパレータ5において使用される材料のいくつかの実施形態は、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、酸化アルミニウム(Al2O3)、ガラスファイバー、及びガラス強化プラスティック(GRP)、又はそれらの組み合わせを含む。 概して、セパレータ5のために使用される材料は、水分含有量、多孔率、融点、不純物含有量、結果として得られる電気的性能、厚さ、コスト、入手可能性等に従って、選択される。いくつかの実施形態において、セパレータ5は、疎水性材料から形成される。 したがって、各セパレータ5から過剰な水分を排除することを確実なものとするための手順を採用してもよい。他の技術の中で、真空乾燥手順を用いてもよい。表4に、セパレータ5において使用される材料の選択を示す。表5に、いくつかの関連する性能データがを示す。
表4に示すデータを収集するために、炭素材料に基づく2つの電極3(a)及び3(b)が設けられた。電極3(a)及び3(b)は対向して、互いに向かい合って配置された。各セパレータ5は、短絡を防ぐために電極3の間に配置された。次いで、3つの構成要素は電解質6で浸漬され、互いに圧縮された。2つのアルミニウムバーとPTFE材料とを外部構造として使用し、結果として得られたウルトラキャパシタ10を囲んだ。 表5に示されるデータを収集するために、ESR第1テストおよびESR第2テストを同じ構成で順々に行った。第2テストは、電解質6を構成要素にさらに浸透させる時間のために、第1テストの5分後に行った。 ある実施形態において、ウルトラキャパシタ10はセパレータ5を含まない。例えば、構造の幾何学的形状により電極3の物理的分離が保証される特定の実施形態では、電極3間に電解質6のみを有するだけで十分である。さらに具体的に、また物理的分離の例として、ある一つのウルトラキャパシタ10は、分離が連続的に保証されるようにハウジング内に配置されている電極3を含んでいてもよい。ベンチ上の例は、ビーカー内に与えられたウルトラキャパシタ10を含む。 iv.貯蔵セル いったん組み立てられると、電極3及びセパレータ5は、貯蔵セル12を提供する。概して、貯蔵セル12は、巻かれた形態もしくは角柱の形態のいずれかで形成され、その後、円柱状もしくは角柱状のハウジング7にパッケージ化される。いったん電解質6が注入さると、ハウジング7は密封して封止すされてもよい。様々な例において、パッケージは、レーザ、超音波、及び/又は溶接技術を利用する技術により、密閉して封止される。貯蔵セル12の頑健な物理的保護を与えることに加えて、ハウジング7は、ハウジング7内の各端子8との電気的な連絡を提供するための外部接点を有して構成されている。そして、各端子8は、概して、エネルギー貯蔵媒体1に接続されている電気的リード線を介して、エネルギー貯蔵媒体1に貯蔵されているエネルギーへの電気的アクセスを提供する。 概して、本明細書に開示されたウルトラキャパシタ10は、約5.0×10−6 atm−cc/秒以下の漏れレートを有し、約5.0×10−10 atm−cc/秒以下の漏れレートを示してもよい密閉シールを提供することができる。良好な密閉シールの性能は、ユーザ、設計者、もしくは製造者により適切と判断され、「密閉」は、最終的には、ユーザ、設計者、製造者、もしくは他の当事者により定義される標準を意味すると考えられる。 漏れ検出は、例えば、トレーサーガスを使用することにより行ってもよい。漏れテストのため、ヘリウム等のトレーサーガスを使用することは、乾燥し、速く、正確で、かつ非破壊的な方法であるので有利である。この技術の一例において、ウルトラキャパシタ10はヘリウム環境に置かれる。ウルトラキャパシタ10は、圧力が加えられたヘリウムに供される。その後、ウルトラキャパシタ10は、ヘリウムの存在をモニタリングできる検出器(例えば原子吸光装置など)に接続される真空チャンバー内に配置される。加圧時間、圧力、及び内部体積についての知識により、ウルトラキャパシタ10の漏れレートを決定してもよい。 いくつかの実施形態において、集電体2の各1つに、少なくとも1つのリード線(本明細書において「タブ」とも称される)が電気的に接続される。複数のリード線(したがってウルトラキャパシタ10の極性に従う)は、ともにグループ化されて各端子8に接続されていてもよい。また、端子8は、「接点」と称される電気的アクセス(例えば、ハウジング7及び外部電極(本明細書において慣行として「フィードスルー」もしくは「ピン」とも称される)のいずれか一方)に接続されていてもよい。 v.ウルトラキャパシタハウジング 図5は、例示的なハウジング7の態様を示している。ハウジング7は、とりわけ、ウルトラキャパシタ10のための構造及び物理的保護を与える。この例において、ハウジング7は、環状かつ円柱状に形成された本体10及び相補的なキャップ24を含む。この例において、キャップ24は、その中央部において除去されて電気的絶縁体26で充填されている。キャップのフィードスルー19は、電気的絶縁体26を貫通して、ユーザに、貯蔵されたエネルギーへのアクセスを提供する。さらに、ハウジングは、内部バリアー30を有していてもよい。 この例は、キャップ24上に1つのフィードスルー19のみを示しているけれども、ハウジング7の構造は、本明細書に開示された実施形態に限定されないことを認識すべきである。例えば、キャップ24は、複数のフィードスルー19を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、本体10は、環状の円柱の反対側の端部において、第2の同様のキャップ24を含む。さらに、ハウジング7は、環状かつ円柱形状の本体10を有する実施形態に限定されないことを認識すべきである。例えば、ハウジング7は、クラムシェルデザイン、角柱デザイン、ポーチ、又は、設計者、製造者、もしくはユーザのニーズに適した他の任意のデザインであってもよい。 ここで図6を参照すると、例示的なエネルギー貯蔵装置セル12が示されている。この例において、エネルギー貯蔵セル12は、「ゼリーロール」タイプのエネルギー貯蔵装置である。これらの実施形態において、エネルギー貯蔵材料は巻回されタイトなパッケージに入れられている。複数のリード線は、概して、各端子8を形成し、エネルギー貯蔵セル12の適切な層への電気的なアクセスを提供する。概して、組み立てられたとき、各端子8は、ハウジング7に(例えば、各フィードスルー19に、及び/又は、直接にハウジング7に)電気的に接続される。エネルギー貯蔵セル12は、様々な形態を取ってもよい。概して、各集電体2について1つの、少なくとも2つの複数のリード線(例えば端子8)が存在する。 非常に効率的に封止するハウジング7が望ましい。すなわち、外部環境(例えば、空気、湿気等)の侵入を防ぐことは、エネルギー貯蔵セル12の構成要素の清浄度を維持する助けとなる。さらに、これは、エネルギー貯蔵セル12から電解質6が漏れるのを防ぐ。 この例において、本体10の内部直径とぴったりフィットするように設計されている外部直径を有するキャップ24が製造される。組み立て時、キャップ24は、本体10に溶接されてもよく、これにより、ユーザに密閉シールを提供する。例示的な溶接技術には、レーザ溶接及びTIG溶接が含まれ、適切と認められる他の形態の溶接が含まれていてもよい。 ハウジング7のための一般的な材料には、ステンレススチール、アルミニウム、タンタル、チタン、ニッケル、銅、錫、様々な合金、積層体等が含まれる。何らかのポリマーに基づく材料等の構造材料を(概して、少なくとも何らかの金属成分と組み合わせて)ハウジング7に使用してもよい。 いくつかの実施形態において、本体10を作製するために使用される材料には、アルミニウムが含まれる。このアルミニウムは、設計者もしくは製造者により適切であると認められた任意のタイプのアルミニウムもしくはアルミニウム合金を含みうる(本明細書では、これらの全てが広く単に「アルミニウム」と称される)。様々な合金、積層体等が、アルミニウム(当該アルミニウムは本体10の内部に露出されている)上に(例えばこれをクラッドで覆うように)配置されていてもよい。本体及び/又はハウジング7を補うように、追加の材料(例えば、何らかのポリマーに基づく材料等の構造材料もしくは電気的絶縁材料等)を使用してもよい。同様に、アルミニウム上に配置される材料は、設計者もしくは製造者により適切であると認められたものにより選択されてもよい。 いくつかの実施形態において、内部構成要素のために多層材料が使用される。例えば、端子8のうちの少なくとも1つにおいて多層材料を提供するため、アルミニウムはステンレススチールのクラッドで覆われていてもよい。これらの実施形態のうちいくつかにおいて、アルミニウムの一部は、ステンレススチールを露出させるために除去されてもよい。次いで、露出されたステンレススチールは、単純な溶接法を用いることにより端子8をフィードスルー19に取り付けるために使用されてもよい。 内部構成要素のためクラッド材料を使用することは、クラッド材料の特定の実施形態を要求してもよい。例えば、アルミニウム(下層)、ステンレススチール及び/又はタンタル(中間層)、及びアルミニウム(上層)を含むクラッド材料を使用し、ウルトラキャパシタ10の内部環境にステンレススチールをさらすことを制限することは有益であろう。これらの実施形態は、例えば、PEFE等のポリマー材料で追加的に被覆することにより拡張されてもよい。 したがって、多層材料を利用するハウジング7を提供することは、従来技術に対して、比較的低い初期値と、所定時間にわたる実質的にゆっくりとして漏れ電流の増加とを有する漏れ電流を示すエネルギー貯蔵装置を提供する。重要なことであるが、エネルギー貯蔵装置の漏れ電流は、従来のキャパシタであれば非常に大きな初期値の漏れ電流及び/又は所定時間にわたる非常に急速な漏れ電流の増大を示すような周囲の温度にウルトラキャパシタ10がさらされるとき、実用的な(すなわち、望ましくは低い)レベルに維持される。 さらに、ウルトラキャパシタ10は、ハウジング7とエネルギー貯蔵セル12との間の反応が減少する結果としての、他の利点を示す可能性がある。例えば、エネルギー貯蔵の実効直列抵抗(effective series resistance:ESR)は、所定時間にわたって比較的低い値を示しうる。さらに、従来技術のキャパシタにおいて起こりうる望ましくない化学反応は、しばしば、ガス放出、もしくは密閉して封止されたハウジングの場合にはハウジング7の膨張、などの望ましくない影響をもたらす。両方の場合において、これは、ハウジング7の構造的完全性及び/又はエネルギー貯蔵装置の密閉シールを損なうことになる。最終的には、これは、従来技術のキャパシタのリークもしくは破滅的故障をもたらしうる。これらの影響は、開示されたバリアーを適用することにより、実質的に減少もしくは除去されるであろう。 多層材料(クラッド材料)を使用することにより、ステンレススチールをハウジング7に組み込んでもよく、したがって、ガラス−金属シールを有する構成要素を使用してもよい。当該構成要素は、レーザーもしくは抵抗溶接等の技術を用いることによりクラッド材料のステンレススチールの側に溶接してもよい。一方、クラッド材料のアルミニウムの側を他のアルミニウム部品(例えば本体10)と溶接してもよい。 いくつかの実施形態において、絶縁ポリマーを使用して、ハウジング7の部分をコーティングしてもよい。このようにして、エネルギー貯蔵装置の構成要素が許容可能なタイプの金属(例えばアルミニウム)のみにさらされることを保証することが可能である。例示的な絶縁ポリマーには、PFA、FEP、TFE、及びPTFEが含まれる。適切なポリマー(もしくは他の材料)は、システムの設計者もしくは製造者のニーズ及び各材料の特性のみにより制限される。図17を参照する。図17においては、少量の絶縁材料39がスリーブ51のステンレススチール及びフィードスルー19に対して電解質6をさらすことを制限するために含まれている。この例では、端子8は、例えば溶接等によりフィードスルー19に接続され、次いで、絶縁材料39でコーティングされる。 1.ハウジングキャップ この例は、キャップ24上において1つのフィードスルー19のみを示しているけれども、ハウジング7の構造は、本明細書に開示された実施形態に限定されないことを認識すべきである。例えば、キャップ24は、複数のフィードスルー19を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、本体10は、環状の円柱の反対側の端部において、第2の同様のキャップ24を含む。さらに、ハウジング7は、環状かつ円柱形状の本体10を有する実施形態に限定されないことを認識すべきである。例えば、ハウジング7は、クラムシェルデザイン、角柱デザイン、ポーチ、又は、設計者、製造者、もしくはユーザのニーズに適した他の任意のデザインであってもよい。 ここで図12を参照する。キャップ24のためのブランク34の実施形態の態様が示されている。図12Aにおいて、ブランク34は多層材料を含む。第1の材料41の層は、アルミニウムであってもよい。第2の材料42は、ステンレススチールであってもよい。図12の実施形態において、ステンレススチールは、アルミニウムを覆うクラッドとして設けられる。それにより、金属特性の所望の組み合わせを示す材料が提供される。すなわち、本明細書で提示する実施形態において、アルミニウムは、エネルギー貯蔵セルの内部(すなわち、ハウジング)にさらされ、一方、ステンレススチールは外部にさらされる。この方法では、製造のためにステンレススチールの構造特性及び金属特性(例えば溶接可能性)を当てにしつつ、アルミニウムの有利な電気的特性を享受する。多層材料は、適切と認められる追加の層を含んでいてもよい。 上述したように、第1の材料41の層は、第2の層42の層を覆うクラッドとして設けられる(もしくは、第2の層42のクラッドで覆われている)。更に図12Aを参照すると、一実施形態において、(図示されるように)平坦なストックのシートが、平坦なキャップ24を作製するためのブランク34を提供するのに用いられる。キャップ24を本体10に取り付けることを容易にするため、第2の材料42の層の一部を(例えば、キャップ24の外周の周りにおいて)除去してもよい。図12Bにおいて、ブランク34の他の実施形態が示されている。この例において、ブランク34は、クラッド材料のシートとして与えられ、これは、凹状構成に形成されている。図12Cにおいて、ブランク34は、クラッド材料のシートとして与えられ、これは、凸状構成に形成されている。様々な実施形態のブランク34(図12に示されたもの等)から製造されているキャップ24は、ハウジング7の本体10に対する溶接をサポートするように構成されている。より具体的には、図12Bの実施形態は、本体10の内径内にフィットするように適合され、一方、図12Cの実施形態は、本体10の外径のまわりにフィットするように適合されている。様々な代替の実施形態において、シート内のクラッド材料の複数の層を反転させてもよい。 ここで図13を参照し、電極アセンブリ50の実施形態を示す。電極アセンブリ50は、ブランク34に設置されるように、かつ、エネルギー貯蔵媒体からユーザへの導通を提供するように設計されている。概して、電極アセンブリ50は、スリーブ51を含む。スリーブ51は絶縁体26を囲み、次いで、絶縁体26はフィードスルー19を囲む。この例において、スリーブ51は、フランジが付された上部を有する環状の円柱である。 キャップ24を組み立てるため、ブランク34に孔(図示せず)が形成されている。孔は、電極アセンブリ50に合うサイズを有する幾何学的形状を有する。したがって、電極アセンブリ50は、ブランク34の孔に挿入される。いったん電極アセンブリ50が挿入されると、電極アセンブリ50は、溶接等の技術によりフランク34に固定されてもよい。溶接は、スリーブ51のフランジの外周の周りにおいて溶接するレーザー溶接であってもよい。図14を参照すると、溶接が行われる点61が示されている。この実施形態において、点61は、ステンレススチールをステンレススチールに溶接するための適切な位置、比較的簡単な溶接法を提供する。したがって、本明細書における教示により、ブランク34上の場所に電極アセンブリ50をしっかりと溶接することができる。 スリーブ51を構成するための材料には、様々なタイプの金属もしくは金属合金を含んでいてもよい。概して、スリーブ51のための材料は、例えば、構造的完全性及び(ブランク34に対する)接合可能性(bondability)にしたがって選択される。スリーブ51のための例示的な材料には、304ステンレススチールもしくは316ステンレススチールが含まれる。フィードスルー19を構成するための材料には、様々なタイプの金属もしくは金属合金が含まれていてもよい。概して、フィードスルー19のための材料は、例えば、構造的完全性及び電気伝導度にしたがって選択される。電極のための例示的な材料には、446ステンレススチールもしくは52合金が含まれる。 概して、絶縁体26は、既知の技術(すなわち、ガラス−金属接合)によってスリーブ51及びフィードスルー19と接合される。絶縁体26を構成するための材料には、以下に制限される訳ではないが、様々なタイプのガラスが含まれていてもよい。これには、高温ガラス、セラミックガラス、もしくはセラミック材料が含まれる。概して、絶縁体のための材料は、例えば、構造的完全性及び電気抵抗(すなわち、電気的絶縁特性)にしたがって選択される。 ガラス−金属接合に依存する構成要素(例えば、電極アセンブリ5の前述の実施形態等)を使用すること、並びに、様々な溶接技術を使用することは、エネルギー貯蔵装置の密閉シールを提供する。同様に密閉シールを提供するために、他の構成要素を使用してもよい。本明細書において使用されているように、用語「密閉シール」は、概して、本明細書において定義されているもの以下の漏れレートを示すシールを意味する。しかしながら、実際のシールの有効性は、この標準よりも良好に機能してもよいと考えられる。 電極アセンブリ50をブランク34に接続するための追加のもしくは他の技術には、そのような技術が適切であると考えられるときは、スリーブ51のフランジの下において(フランジと第2の材料42の層との間において)接着剤を使用することが含まれる。 ここで図15を参照すると、エネルギー貯蔵セル12は本体10内に配置される。少なくとも1つの端子8は、(例えば、フィードスルー19に対して)適切に接続されている。そして、キャップ24は本体10と合わされて、ウルトラキャパシタ10を提供する。 いったん組み立てられると、キャップ24及び本体10は封止されてもよい。図22は、組み立てられたエネルギー貯蔵装置の様々な実施形態(この場合、ウルトラキャパシタ10)を示している。図16Aにおいて、平坦なキャップ24を作製するために、平坦なブランク34(図12Aを参照)が使用される。いったんキャップ24が本体10上に設置されると、キャップ24及び本体10は溶接されて、シール62が作製される。この場合、本体10は環状の円柱であるので、溶接は、本体10及びキャップ24の外周のまわりに進行して、シール62を提供する。第2の実施形態において、図16Bに示すように、凹状のキャップ24を作製するために、凹状のブランク34(図12Bを参照)が使用される。いったんキャップ24が本体10上に設置されると、キャップ24及び本体10は溶接されて、シール62が作製される。第3の実施形態においては、図16Cに示すように、凸状のキャップ24を作製するため、凸状のブランク34(図12Cを参照)が使用される。いったんキャップ24が本体10上に設置されると、シール62を作製するため、キャップ24と本体10とは溶接されてもよい。 必要に応じて、多層材料における他の金属を露出するため、(例えば、機械加工もしくはエッチング等の技術により)クラッド材料を除去してもよい。したがって、いくつかの実施形態において、シール62には、アルミニウム−アルミニウム溶接が含まれていてもよい。アルミニウム−アルミニウム溶接は、必要に応じて、他の固定具により補完されてもよい。 他の技術を使用してハウジング7を封止してもよい。例えば、レーザー溶接、TIG溶接、抵抗溶接、超音波溶接、及び他の形態の機械的シールを使用してもよい。しかしながら、概して、ウルトラキャパシタ10において提供される頑健な密閉シールを提供するためには、伝統的な形態の機械的シールだけでは十分ではないことに留意すべきである。 ここで図12を参照する。このアセンブリの態様では、キャップ24の他の実施形態が示されている。図12Aは、キャップ24の本体を提供するために使用されるテンプレート(すなわち、ブランク34)を示す。概して、テンプレートは、適切なタイプのエネルギー貯蔵セル(例えば、ウルトラキャパシタ10等)のハウジング7に合うサイズで形成されている。キャップ24は、最初、テンプレートを形成するテンプレートを提供し、当該テンプレート(図12Bに図示)内にドーム37を含め、その後、ドーム37に孔を開けてスルーウェイ32(図12Cに図示)を提供することにより形成してもよい。勿論、ブランク34(例えばストックの円状片)は押圧してもよく、さもなければ、上述の複数の特徴が同時に提供されるように製造されてもよい。 概して、及び、これらの実施形態に関して、キャップは、アルミニウム、もしくはその合金から形成されていてもよい。しかしながら、キャップは、製造者、ユーザ、設計者等により適切であると認められる任意の材料により形成されていてもよい。例えば、キャップ24は、スチールから製造され、不動態化されてもよく(すなわち、不活性のコーティングで覆われ)、さもなければ、ハウジング7において使用するために調製されてもよい。 ここで図19を参照すると、電極アセンブリ50の他の実施形態が示されている。これらの実施形態において、電極アセンブリ50は、フィードスルー19と、フィードスルー19の周りに配置された半球形状の材料とを含む。この半球形状の材料は、絶縁体26として機能し、概して、ドーム37に合うように形成されている。半球状の絶縁体26は、電解質6の化学的な影響に耐えつつ、密閉シールを提供するための適切な材料から製造されていてもよい。例示的な材料には、PFA(パーフルオロアルコキシポリマー)、FEP(フッ素化チレンプロピレン)、PVF(ポリビニルフルオライド)、TFE(テトラフルオロエチレン)、CTFE(クロロトリフルオロエチレン)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、ETFE(ポリエチレンテトラフルオロエチレン)、ECTFE(ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、他のフルオロポリマーに基づく材料、(様々な程度で)同様の特性を示し、十分な性能(例えば、とりわけ、高温で溶媒、酸、及び塩基に対する高い耐性を示すこと、低いコスト、など)を提供しうる任意の他の材料を含む。 フィードスルー19は、アルミニウム、もしくはその合金により形成されてもよい。しかしながら、フィードスルー19は、製造者、ユーザ、設計者等により適切であると認められる任意の材料から形成されてもよい。例えば、フィードスルー19は、スチールから製造され、不動態化され(すなわち、シリコン等の不活性コーティングにより覆われ)、さもなければ、電極アセンブリ50において使用するために調製されてもよい。不動態化のための例示的な技術は、基板の表面上に水素化されたアモルファスシリコンのコーティングを堆積し、有効な時間長にわたって圧力及び上昇させた温度の下で少なくとも1つの不飽和炭酸水素基を有する結合剤に基板を露出することによりコーティングされた基板を官能基化することを含む。水素化されたアモルファスシリコンコーティングは、有効な時間長にわたって圧力及び上昇させた温度の下で、水素化ケイ素ガスに対して基板を露出することにより堆積される。 半球状の絶縁体26は、キャップ24に組み立てられたときぴったりフィットさせること(すなわち、密閉シール)が達成されるように、ドーム37に対するサイズを有していてもよい。半球状の絶縁体26は、完全に対称でなくても、典型的な半球のプロポーションを有していなくてもよい。すなわち、半球状の絶縁体26は、実質的に半球状であり、例えば、プロポーションのわずかな調整、適切なフランジ(例えば、基部におけるもの)、及び適切と認められる他の特徴を含む。半球状の絶縁体26は、概して、同質の材料から形成されるが、しかしながら、これは必須ではない。例えば、半球状の絶縁体26は、所望の膨張性もしくは圧縮性を提供するため、空気もしくはガスにより充填されたトーラス(図示せず)が内部に含まれていてもよい。 図20に示されているように、電極アセンブリ50は、半球状の密閉シールを含むキャップ24の実施形態を提供するため、テンプレート(すなわち、形成されたブランク34)内に挿入されてもよい。 図21に示すように、様々な実施形態において、リテイナー43は、キャップ24の下部(すなわち、ハウジング7の内部と対向し、エネルギー貯蔵セル12と対向するキャップ24の一部)に接合されてもよく、さもなければ 、これに合わされてもよい。リテイナー43は、アルミニウム溶接(例えば、レーザー、超音波等)などの様々な技術によってキャップ24に接合されていてもよい。例えば、スタンピング(すなわち、機械的接合)及びろう付け等を含む他の技術をボンディングのために使用してもよい。例えば、リテイナー43の周に沿って接合してもよい。概して、ボンディングは、所望のシール71を作製するため、少なくとも1つの接合点に提供される。リテイナー43内において絶縁体26を封止するために、複数のリベット等少なくとも1つの固定具を使用してもよい。 図21の例において、キャップ24は、凹状デザインのものである(図12B参照)。しかしながら、他のデザインを使用してもよい。例えば、凸状キャップ24を提供してもよく(図12C)、オーバー−キャップ24を使用してもよい(図12Cの実施形態の変形例であり、これは、図16Cに示すように載置されるように構成される)。 キャップ及びフィードスルー19のために使用される材料は、半球状の絶縁体26の熱膨張の観点から選択されてもよい。さらに、熱膨張に対処するように製造技術を改良してもよい。例えば、キャップ24を組み立てるとき、製造者は、半球状の絶縁体26に圧力を加え、それにより、半球状の絶縁体26を少なくともいくぶん圧縮してもよい。このようにして、密閉シールの有効性を損なうことなく、キャップ24をすくなくともいくぶん熱膨張させる。 組み立てられたウルトラキャパシタをさらに明らかにするため、図22を参照する。ここでは、ウルトラキャパシタ10の切り取り図が示されている。この例においては、貯蔵セル12が本体10に挿入され、本体10内に包含されている。複数のリード線のそれぞれは、一体に結束され、端子8の一方としてハウジング7に接続されている。いくつかの実施形態において、複数のリード線が本体10の下部に(内部で)接続され、それにより、本体10を負の接点55とする。同様に、他方の複数のリード線を結束してフィードスルー19に接続し、正の接点56を提供する。負の接点55及び正の接点56の電気的絶縁は、電気的絶縁体26により維持される。概して、リード線を接続することは、レーザー溶接及び超音波溶接の少なくとも一方などの溶接により達成される。適切であると考えられる他の技術が使用されてもよい。 図31に、本明細書に開示したウルトラキャパシタの所定の追加の実施形態を示す。図31A及び31Bは、ウルトラキャパシタハウジングの2つの代替の設計を示す。ここで、ハウジングの上カバー311は、内部又は外部空間の制約と所望の端子設計とに依存して、金属容器312に関して異なる向きを有する。図31Aは所定の実施形態による例示的なハウジング設計を示す。ここで、ガラス−金属シール310の大部分は、ゼリーロール23と同様であるウルトラキャパシタのゼリーロール313を含んでいるハウジングの外側の外部空間に面するような向きを有する。所定の他の実施形態において、ガラス−金属シール310の大部分は、ゼリーロール23と同様であるウルトラキャパシタのゼリーロール313を含んでいるハウジングの内部空間に面するような向きを有する。 2.内部バリアー ここで図7を参照すると、ハウジング7は、内部バリアー30を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、バリアー30はコーティングである。この例において、バリアー30は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から形成される。ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)は、この組成をバリアー30に適したものにする様々な特性を示す。PTFEは、摂氏約327度の融点を有し、優れた誘電特性を有し、既知のすべての固体材料のうちで3番目に最低である約0.05〜0.10の摩擦係数を有し、高い耐食性、及び他の有益な特性を有する。概して、キャップ24の内部は、その上に配置されたバリアー30を含んでいてもよい。 バリアー30には他の材料を使用してもよい。これらのうちで、他の材料は、セラミックの形態(適切に適用され、性能基準を満たしうる任意のタイプのセラミック)、他のポリマー(好ましくは高温ポリマー)等である。例示的な他のポリマーには、パーフルオロアルコキシ(PFA)及びフッ素化エチレンプロピレン(FEP)並びにエチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)が含まれる。 バリアー30は、エネルギー貯蔵セル12と、ハウジング7もしくはその構成要素との間の電気化学反応もしくは他のタイプの反応を減少させる任意の材料もしくは材料の組み合わせを含んでもよい。いくつかの実施形態において、この組み合わせは、単一の層内における異なる材料の均質分散として明示される。他の実施形態において、この組み合わせは、複数の層内における異なる材料として明示される。他の組み合わせを用いてよい。端的に言えば、バリアー30は、少なくとも1つの電気的絶縁体であり、化学的に不活性(すなわち、低い反応性を示す)であり、それゆえ、貯蔵セル12とハウジング7との間の電気的及び化学的な相互作用の少なくとも一方に対して実質的に耐性を有するか妨げるものとみなされてもよい。いくつかの実施形態において、用語「低い反応性」及び「低い化学反応性」は、概して、当事者にとって懸念のレベル未満の化学的相互作用のレートを意味する。 概して、ハウジング7の内部は、バリアー30のホストとなり、ハウジング7の内部にさらされる表面全体が覆われてもよい。少なくとも1つの未処理領域31が、本体10内に含まれていてもよいし、キャップ24の外面36の上に含まれていてもよい(図8Aを参照)。いくつかの実施形態において、アセンブリ要求を満たすため、未処理領域31(図8Bを参照)、例えば、(溶接などにより)シールされもしくは接続された領域等が含まれていてもよい。 バリアー30は、従来技術を用いて内部部分に適用されてもよい。例えば、PTFEの場合、バリアー30は、バリアー30を内部表面上にコーティングとしてペイントもしくはスプレーすることにより適用してもよい。未処理領域31が所望の完全性を保持することを確実なものとするためのプロセスの一部として、マスクを使用してもよい。端的に言えば、様々な技術を用いてバリアー30を提供してもよい。 例示的な実施形態において、バリアー30は、約3ミリ〜約5ミリの厚さを有する。一方、バリアー30のために使用される材料はPFAに基づく材料である。この例において、バリアー30を構成する材料を受けるための表面は、酸化アルミニウム等によるグリットブラスティング(grit blasting)で調製される。いったん表面が洗浄されると、材料が、最初は液体として塗布され、その後は粉末として塗布される。当該材料は、熱処理プロセスにより硬化される。いくつかの実施形態において、加熱サイクルは、摂氏約370度の温度において、約10分〜約15分の継続時間を有する。これにより、ピンホールサイズの欠陥もしくはそれより小さい欠陥が実質的に存在しないバリアー30の連続的な仕上げを行うことができる。図9は、本明細書における教示に係るある実施形態のウルトラキャパシタ10のアセンブリを示している。この実施形態において、ウルトラキャパシタ10は、そこに配置されたバリアー30と、そこに配置されたバリアー30を有するキャップ24と、エネルギー貯蔵セル12とを備える本体10を含む。組み立ての間、キャップ24は、本体10の上に設置される。端子8のうちの第1のものは、キャップのフィードスルー19に電気的に接続され、一方、端子8のうちの第2のものは、典型的には、下部、側部、もしくはキャップ24において、ハウジング7と電気的に接続されている。いくつかの実施形態において、端子8のうちの第2のものは、(例えば、反対側のキャップ24等の)他のフィードスルー19に接続されている。 ハウジング7の1つ又は複数の内面に配置されたバリアー30により、ハウジング7と電解質との間の電気化学的及び他の反応が大きく減少し、もしくは実質的に除去される。これは、化学的及び他の反応のレートが概して増大する、より高温の場合において特に重要である。 特に、バリアー付きのウルトラキャパシタ10の漏れ電流は、比較的低い初期値を示し、所定時間にわたって実質的に増加しない。一方、バリアーなしのウルトラキャパシタ10の漏れ電流は、比較的高い初期値を示し、所定時間にわたって実質的に増加する。 概して、バリアー30は、エネルギー貯蔵セル12とハウジング7との間の適切な材料の適切な厚さを与える。バリアー30は、均一の混合物、不均一の混合物、及び/又は少なくとも1つの層の材料を含んでいてもよい。バリアー30は、完全なカバー(すなわち、電極接点を除く、ハウジングの内部表面領域のカバーを提供する)を提供してもよく、もしくは部分的なカバーを提供してもよい。いくつかの実施形態において、バリアー30は、複数の構成要素から構成されてもよい。 図11を参照すると、追加の実施形態の態様が示されている。いくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵セル12は、エンベロープ73内に堆積されている。すなわち、エネルギー貯蔵セル12は、その上に配置されたバリアー30を有し、その上を覆うようにラッピングされ、さもなければ、いったん組み立てられるとハウジング7からエネルギー貯蔵セル12を分離するように適用される。エンベロープ73は、エネルギー貯蔵セル12をハウジング7内にパッケージ化するよりもずっと前に適用されてもよい。それゆえ、エンベロープ73の使用は、例えば製造者等にある利点をもたらす可能性がある。(説明のため、エネルギー貯蔵セル12上に緩く配置されているエンベロープ73が示されていることに留意すべきである)。 いくつかの実施形態において、エンベロープ73は、コーティングとともに使用される。コーティングは、内面の少なくとも一部の上に配置される。例えば、ある実施形態では、コーティングは、エンベロープ73が少なくとも部分的に損なわれうる領域(例えば、突出する端子8)のみにおいて、ハウジング7の内部に配置されている。エンベロープ73及びコーティングは、一緒に、効果的なバリアー30を形成する。 したがって、バリアー30を組み込むことにより、従来技術に比して、漏れ電流が比較的低い初期値を有し、所定時間にわたって漏れ電流が実質的によりゆっくりと増大するウルトラキャパシタを提供しうる。重要なことであるが、ウルトラキャパシタの漏れ電流は、従来技術のキャパシタであれば非常に大きな漏れ電流の初期値を示し、及び/又は所定時間にわたって非常に急速な漏れ電流の増大を示すであろう周囲温度にウルトラキャパシタがさらされるとき、実用的な(すなわち、望ましくは低い)レベルに維持される。 このようにバリアー30の実施形態及びその様々な態様を開示したとき、ハウジング7とエネルギー貯蔵媒体1との間の反応が減少した結果、ウルトラキャパシタ10は他の利点を示しうると認識されるべきである。例えば、ウルトラキャパシタ10の実効直列抵抗(ESR)は、所定時間にわたって比較的低い値を示しうる。さらに、従来技術のキャパシタにおいて起こりうる望ましくない化学反応は、しばしば、ガス放出、もしくは密閉して封止されたハウジングの場合にはハウジングの膨張、などの望ましくない影響をもたらす。両方のケースにおいて、これは、ハウジングの構造的完全性及び/又はキャパシタの密閉シールを損なうことになる。最終的には、これは、従来技術のキャパシタのリークもしくは破滅的故障をもたらしうる。いくつかの実施形態において、これらの効果は、開示されたバリアー30を適用することにより、実質的に減少もしくは排除されうる。 用語「バリアー」及び「コーティング」は、本明細書における教示の限定と認識すべきではない。すなわち、適切な材料をハウジング7、本体10、及び/又はキャップ24の内部に適用するための任意の技術を使用してもよい。例えば、他の実施形態において、バリアー30は、ハウジング本体10を構成する材料内にもしくはその上に実際に組み込まれる。その後、当該材料は、適切に加工もしくは形成され、ハウジング7の様々な構成要素が形成される。バリアー30を適用するための多くの可能な技術のいくつかを検討する際、ロールオンすること、スパッタリングすること、焼成すること、積層すること、印刷すること、さもなければ、1つ又は複数の材料を塗布することは同様に適切でありうる。端的には、バリアー30は、製造者、設計者、及び/又はユーザにより適切と認められる任意の技術を用いて適用してもよい。 バリアー30において使用される材料は、反応度、誘電値、融点、ハウジング7の材料への接着性、摩擦係数、コスト、他のそのようなファクター等の特性にしたがって、選択することができる。 所望の特性を提供するために、材料の組み合わせ(例えば、多層化された、混合された、さもなければ組み合わせ)を使用してもよい。 バリアー30を備えるハウジング7等の改良されたハウジング7を用いることにより、いくつかの実施形態において、AESの劣化が制限されうる。バリアー30は、改良されたハウジング7を提供するための1つの技術を示しているけれども、他の技術を用いてもよい。例えば、アルミニウムから作製されたハウジング7を使用することは、電解質6の存在下におけるアルミニウムの電気化学的特性のため、好適であろう。しかしながら、アルミニウムの製造上の困難を前提として、アルミニウムを利用するハウジング7の実施形態を構成することは(現在まで)可能ではなかった。 ハウジング7の追加の実施形態には、内部表面全体にアルミニウムを提供するものが含まれる。ハウジングを溶接する能力及び密閉して封止する能力をユーザに提供しつつ、内部表面は電解質にさらされてもよい。ウルトラキャパシタ10の改善された性能は、内部腐食の低減、伝導性媒体における異種金属を使用することに関連する問題の除去、及び他の理由により達成してもよい。好適には、ハウジング7は、ガラス−金属シールを含み(ステンレススチール、タンタル、もしくは他の有利な材料及び成分から製造されたものを含みうる)、それゆえ経済的に製造できるような利用可能な電極挿入物などの、既存の技術を用いる。 本明細書では、ウルトラキャパシタ10に適したハウジング7の実施形態として開示しているが、これらの実施形態は、(バリアー30の場合と同様に)適切であると認められる任意のタイプのエネルギー貯蔵装置とともに使用してもよく、実用できる任意のタイプの技術を含んでもよい。例えば、電気化学的バッテリー、特に、リチウムに基づくバッテリーを含む他の形態のエネルギー貯蔵装置を使用してもよい。 3.ウルトラキャパシタハウジングの他の構成要素 ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、ハウジングは、その内部表面の実質的に一部を覆うように配置されたバリアーを含む。特定の実施形態においては、当該バリアーは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシ(PFA)、フッ素化エチレンプロピレン(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)の少なくとも1つを含む。特定の実施形態において、バリアーはセラミック材料を含む。当該バリアーは、また、耐食性、所望の誘電特性、及び低い電気化学反応性を示す材料を含んでいてもよい。バリアーの特定の実施形態において、バリアーは多層材料を含む。 ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、当該ハウジングは、複数層の材料を含む。例えば、当該複数層の材料には、第2の材料上を覆うクラッドとして設けられた第1の材料が含まれる。特定の実施形態において、当該複数層の材料は、スチール、タンタル、及びアルミニウムの少なくとも1種を含む。 ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、当該ハウジングは少なくとも1つの密閉シールを含む。 ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、当該ハウジングは、少なくとも1つのガラス−金属シールを含む。例えば、当該ガラス−金属シールのピンは接点のうちの1つを提供する。ある特定の実施形態において、当該ガラス−金属シールは、鉄−ニッケル−コバルト合金、ニッケル鉄合金、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、ならびに、ステンレス及びチタンの形態からなるグループから選択された材料で構成されるフィードスルーを備える。他の特定の実施形態において、当該ガラス−金属シールは、ニッケル、モリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素、及びタングステン、並びにそれらの合金からなるグループから選択された少なくとも一種の材料から構成される本体を備える。 ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、密閉シールは、約5.0×10−6 atm−cc/秒以下、例えば約5.0×10−7 atm−cc/秒以下、例えば約5.0×10−8 atm−cc/秒以下、例えば約5.0×10−9 atm−cc/秒以下、例えば約5.0×10−10 atm−cc/秒以下の漏れレートを示す。 ある実施形態のウルトラキャパシタにおいて、少なくとも1つの接点が、他のウルトラキャパシタの他の接点と合わされるように構成されている。 ある態様のウルトラキャパシタにおいて、当該貯蔵セルは、その外部を覆うように配置されたラッパーを含む。例えば、当該ラッパーは、PTFE及びポリイミドの一方を含む。 概して、ハウジング7の内部にさらされる1つ又は複数の材料は、電解液6、例えばAESにさらされるとき、十分に低い反応性を示す。これは、実施形態のいくつかを単に例示したものであり、本明細書の教示を制限するものではない。 vi.ウルトラキャパシタ用の製造技術 本明細書では、不純物を低減させるか、開示したHTRESを製造する方法を含む、本明細書に開示された装置、システム、及び方法で利用されてもよいウルトラキャパシタを生成するための所定の方法が提供される。本明細書に開示された精製方法は、例えば電解質(例えばAES)、電極、又はセパレータなどの、本明細書に開示したHTRESの任意の構成要素に適用可能であってもよい。 本明細書に開示されたウルトラキャパシタの構成で考慮される重要な態様は、良好な化学的衛生状態を維持することである。構成要素の清浄度を確保するため、さまざまな実施形態では、エネルギー貯蔵媒体1の2つの電極3を構成する活性炭素、カーボンファイバー、レーヨン、カーボンクロス、及び/又はナノチューブが、真空環境下、高温で乾燥させる。セパレータ5はまた、真空環境下で、高温で乾燥される。電極3及びセパレータ5が真空下で乾燥されると、それらは、50ppm未満の水を含む雰囲気において、最終的なシールもしくはキャップなしに、ハウジング7内にパッケージ化される。キャップされていないウルトラキャパシタ10は、例えば、摂氏約100度から摂氏約300度の温度範囲にわたって、真空下において、乾燥されてもよい。いったん最終乾燥が完了すると、電解質6が加えられてもよく、ハウジング7は、比較的乾燥した雰囲気(約50ppm未満の水分を含む雰囲気等)において封止される。勿論、他の組み立て方法を用いてもよく、前述の事項は、単にウルトラキャパシタ10のアセンブリの例示的な態様を提供するだけである。 さらに、本明細書に開示されたウルトラキャパシタの高効率のエネルギー貯蔵装置を提供するために、所定の頑健な組み立て技術が要求されうることを認識すべきである。 したがって、組み立て技術のいくつかを以下に議論する。 いったんウルトラキャパシタ10が製造されると、それは、漏れ電流をほとんど発生させないかもしくはまったく発生させることなく、また、抵抗をほとんど増大させることなく、高温用途で使用されてもよい。本明細書において記載されているウルトラキャパシタ10は、摂氏約−40度から摂氏210度までの温度において、効率的に動作しうる。当該装置の体積で正規化された漏れ電流は、全動作電圧範囲及び全動作温度範囲にわたって、当該装置の体積について1リットルあたり10ミリアンペア(A/L)未満であった。ある実施形態では、キャパシタは、摂氏−40度から摂氏210度の温度にわたって動作可能である。 概略すると、円柱状に形成されたウルトラキャパシタ10の組み立て方法が提供されている。電極3から始めて、いったんエネルギー貯蔵媒体1が集電体と接続されると、各電極3が製造される。その後、複数のリード線が適切な位置において各電極3と接続される。その後、複数の電極3は、所定方向に向きづけられて、適切な個数のセパレータ5とともに組み立てられてそれらの間に配置され、貯蔵セル12が形成される。貯蔵セル12は、その後、円柱状に巻回されてもよく、ラッパーで固定されてもよい。概して、正及び負の各リード線は、その後、束ねられて各端子8を形成する。 電解液6、すなわち、上述のAESをウルトラキャパシタ10に注入する前(例えば、貯蔵セル12の組み立ての前もしくはその後)、ウルトラキャパシタ10の各構成要素は、水分を除去するように乾燥されてもよい。これは、組み立てられていない構成要素(即ち、空のハウジング7ならびに各電極3および各セパレータ5)で行ってよく、後に組み立てられた構成要素(貯蔵セル12等)で行ってよい。 乾燥は、例えば、真空環境下、高温で実行してもよい。いったん乾燥させると、貯蔵セル12は、その後、最終的なシールもしくはキャップを有しないハウジング7内にパッケージ化されてもよい。いくつかの実施形態において、パッケージ化は、50ppm未満の水を含む雰囲気において実行される。キャップなしのウルトラキャパシタ10は、その後、再度乾燥させてもよい。例えば、ウルトラキャパシタ10は、摂氏約100度から摂氏約300度までの温度範囲にわたって真空下で乾燥されてもよい。いったん最終乾燥が完了すると、その後、ハウジング7は、例えば、50ppm未満の水分を含む雰囲気において封止されてもよい。 いくつかの実施形態において、乾燥プロセス(「焼成」プロセスとも称される)が完了すると、当該構成要素を取り囲む環境は、不活性ガスにより充填されてもよい。例示的なガスには、アルゴン、窒素、ヘリウム、及び同様の特性を示す他のガス(並びにこれらの組み合わせ)が含まれる。 概して、注入口(ハウジング7の表面の孔)はハウジング7に含まれる。もしくは、注入口は後で追加されてもよい。ウルトラキャパシタ10が電解質6、例えばAESで満たされると、注入口を閉じてよい。注入口の閉止は、例えば、注入口の中または上に材料(例えば、ハウジング7と化学反応を起こさない金属)を溶接することにより達成してよい。いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ10を他の環境に移して、その後で再び開き、充填し、閉じるために、充填の前に注入口を一時的に閉じてもよい。しかしながら、本明細書において議論しているように、ウルトラキャパシタ10は、同じ環境において、乾燥及び充填されると考えられる。 所望の量のAESでハウジング7を満たすために多数の方法を用いてよい。概して、充填プロセスを制御することは、とりわけ、容量の増大と、等価直列抵抗(equivalent-series-resistance:ESR)の減少と、電解質のむだの制限とを提供しうる。真空充填方法は、ハウジング7を充填し、電解質8で貯蔵セル12を湿潤させる技術の非限定的な例として与えられる。 しかしながら、まず、ウルトラキャパシタ10の構成要素を汚染する可能性を有する任意の材料が清浄であり、化学反応を起こさず、乾燥していることを確実なものとするように対処されてもよいことに留意すべきである。慣行として、「良好な衛生状態処理」が、アセンブリプロセス及び構成要素が汚染物質をウルトラキャパシタ10にもちこまないことを確実なものとするため実行されると考えられてもよい。 「真空法」では、コンテナが、ハウジング7の上であって注入口の周りに配置される。その後、電解液6、例えば本明細書に開示されたAESが、実質的に酸素及び水(すなわち水分)が存在しない環境で、コンテナ内に配置される。その後、この環境において真空が生成され、ハウジングからすべての空気が引き抜かれ、それにより、同時に、電解質系6がハウジング7内に引き込まれる。その後、必要であれば、周りの環境は、不活性ガス(アルゴンガス、窒素等、もしくは不活性ガスの何らかの組み合わせ)により再充填されてもよい。ウルトラキャパシタ10は、所望の量の電解質6が引き込まれたか否かをみるために確認されてもよい。当該プロセスは、必要であれば、所望の量の電解質6がウルトラキャパシタ10内に入るまで繰り返されてもよい。 所定の実施形態では、電解液6、例えばAESにより充填した後、ウルトラキャパシタ10を封止するために注入口に材料を充填してもよい。当該材料には、例えば、ハウジング7及び電解質6と化学反応を起こさない金属であってもよい。ある例において、材料は注入口に対して力をかけてはめこまれ、本質的に、注入口に対してプラグの「冷間圧接」を実行する。特定の実施形態において、力をかけてはめこむことは、本明細書においてさらに議論されている他の溶接技術により補われてもよい。 概して、ハウジングの組み立てはしばしば、貯蔵セル12を本体10内に設置すること、および本体10をAESで充填することを伴う。他の乾燥プロセスを実行してもよい。例示的な乾燥は、しばしば減圧(例えば真空)下で、貯蔵セル12およびAESを中に備える本体10を加熱することを含む。いったん十分な(オプションの)乾燥ステップを実行した後に、最終の組み立てステップを実行してもよい。最終ステップにおいて、内部電気接続を行い、キャップ24を組み込み、例えばキャップ24を本体10に溶接することにより、本体10にキャップ24を密閉して封止する。 いくつかの実施形態において、ハウジング7とキャップ24の少なくとも一方を、複数の層が含まれる材料を含むように製造する。例えば、第1の材料層はアルミニウムを含有してもよく、第2の材料層はステンレススチールであってもよい。この例において、ステンレススチールは、アルミニウムを覆うクラッドとして設けられ、それにより、金属特性の所望の組み合わせを示す材料を提供する。すなわち、本明細書において与えられる実施形態において、アルミニウムは、エネルギー貯蔵セルの内部(すなわち、ハウジング)にさらされ、一方、ステンレススチールは外部にさらされる。この方法では、製造のためにステンレススチールの構造特性及び金属特性、すなわち溶接可能性をあてにしながら、アルミニウムの有利な電気特性が享受される。多層材料は、適切と認められる追加の層を含んでいてもよい。好適には、これは、ステンレススチールとステンレススチールとの溶接、比較的簡単な溶接法を提供する。 本体10の製造のために使用される材料にはアルミニウムが含まれるが、設計者もしくは製造者により適切と認められる任意のタイプのアルミニウムもしくはアルミニウム合金を含み得る(それらの全てが本明細書においては広く「アルミニウム」と称される)。種々の合金、積層体等がアルミニウムの上に配置されてよい(例えば、アルミニウムを覆うクラッドとして設けられてよい)(アルミニウムはボディ10の内部に曝される)。本体及び/又はハウジング7を補うため、追加の材料(例えば、何らかのポリマーに基づく材料等の構造材料もしくは電気的絶縁材料等)を使用してもよい。同様に、アルミニウム上に配置される材料は、設計者もしくは製造者により適切であると認められたものにより選択されてもよい。 アルミニウムの使用は、必要であるわけではなく、また、要求されるわけではない。端的に言えば、材料選択は、設計者、製造者、もしくはユーザ等により適切であると認められる任意の材料の使用をもたらしてもよい。様々なファクター、例えば、電解質6との電気化学的相互作用の減少、構造特性、コスト等を考慮してもよい。 比較的小さい体積を示すウルトラキャパシタ10の実施形態は、角柱のフォームファクタで製造してもよい。これにより、ウルトラキャパシタ10の電極3が互いに対向し、少なくとも一方の電極3は、ガラス−金属シールに対する内部接点を有し、他方は、ハウジングもしくはガラス−金属シールに対する内部接点を有する。 特定のウルトラキャパシタ10の体積は、1つのハウジング内においていくつかの貯蔵セルを接続すること(例えばいくつかのゼリーロールを一体に溶接すること)により拡張されてもよい。このとき、貯蔵セルは、並列又は直列に電気的に接続される。 様々な実施形態において、複数のウルトラキャパシタ10を一緒に使用して電源を提供することは有用である。信頼性のある動作を提供するため、それぞれのウルトラキャパシタ10は使用前に試験されてもよい。様々なタイプの試験を実行するため、ウルトラキャパシタ10のそれぞれを、複数のウルトラキャパシタ10が直列もしくは並列に取り付けられた単一のセルとして試験してもよい。様々な技術により(例えば、溶接等により)接続された異なる金属を使用することは、接続のESRを減少させるとともに、接続の強度を増大させることができる。ウルトラキャパシタ10間の接続のいくつかの態様を、以下、説明する。 いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ10は、2つの接点を含む。この2つの接点は、ガラス−金属シールピン(すなわち、フィードスルー19)及びハウジング7の残りの全部である。複数のウルトラキャパシタ10を直列に接続した場合、(円柱形態のハウジング7の場合)内部リード線への距離が最小化されてそれにより抵抗が最小となるように、ハウジング7の下部の間を相互接続部を接続することがしばしば望まれる。これらの実施形態において、相互接続部の反対の端部は、通常、ガラス−金属シールのピンに接続される。 相互接続に関して、共通の溶接タイプには、並列チップ電極抵抗溶接機の使用が含まれる。ピンの上において相互接続部の端部を整列させ、当該ピンに直接に相互接続部を溶接することにより、溶接を行ってもよい。数多くの溶接を用いることは、相互接続部とピンとの間の強度及び接続を増大させるであろう。概して、ピンに溶接する際、ピンとよく合うように相互接続部の端部を形成することは、短絡を引き起こすであろうピンに重なる過剰な材料が実質的に存在しないことを確実なものとするように作用する。 相互接続部をピンに溶接するため、対向チップ(opposed tip)の電気抵抗溶接機を使用してもよい。一方、相互接続部をハウジング7の下部に溶接するために超音波溶接機を使用してもよい。含まれる金属が化学反応を起こさない場合は、はんだ技術を使用してもよい。 相互接続部において使用される材料に関して、相互接続部に使用される一般的タイプの材料は、ニッケルである。ニッケルは、ステンレススチールと良好に溶接されて強固な界面を有するので、使用可能である。例えば、相互接続部の抵抗を減少させるため、ニッケルに代えて、他の金属及び合金を使用してもよい。 概して、相互接続部のために選択される材料は、ピンの材料並びにハウジング7の材料と化学反応を起こさないことにより選択される。例示的な材料には、銅、ニッケル、タンタル、アルミニウム、ニッケル銅クラッドが含まれる。使用されうる別の金属には、銀、金、真鍮、プラチナ、及び錫が含まれていてもよい。 ピン(すなわち、フィードスルー19)がタンタルから形成されている場合等いくつかの実施形態において、相互接続部には、短いブリッジ接続を用いること等によって、中間金属を使用してもよい。例示的なブリッジ接続には、タンタルのストリップが含まれる。これは、アルミニウム/銅/ニッケルのストリップをブリッジに溶接するため、対向チップの電気抵抗溶接機を使用することにより改良されてきた。その後、タンタルストリップをタンタルピンに溶接するために並列電気抵抗溶接機を使用する。 ブリッジは、また、ハウジング7である接点上において使用してもよい。例えば、ニッケル片は、ハウジング7の下部に電気抵抗溶接されてもよい。その後、同ストリップがニッケルブリッジに超音波溶接されてもよい。この技術は、セルの相互接続部の抵抗を減少させる助けとなる。各接続部に異なる金属を使用することで、セル間の直列に接続された相互接続部のESRを減少させることができる。 このように、高温環境(すなわち、最大で摂氏約210度まで)で有用である頑健なウルトラキャパシタ10の態様を説明したとき、いくつかの追加の態様を以下に提供及び/又は定義する。 様々な材料を、ウルトラキャパシタ10の構成において使用してもよい。酸素及び水分が排除されるべきであり、かつ、電解質6の漏れが防止されるべき場合には、ウルトラキャパシタ10の完全性は必須である。これを達成するため、シーム溶接及び他の任意の封止点は、動作の意図された温度範囲にわたって密閉標準を満たすべきである。また、選択された材料は、イオン液体、およびAESの形成において用いられてよい溶媒等のような、他の材料とは、化学反応を起こさないものであるべきである。 いくつかの実施形態において、フィードスルー19は、例えば、KOVAR(商標)(ペンシルバニア州リーディングのカーペンターテクノロジーコーポレイション(Carpenter Technology Corporation)の商標であり、KOVARは、真空溶解された鉄−ニッケル−コバルト低膨張合金であり、その化学組成は、正確で均一な熱膨張特性を保証するように、狭い範囲で制御される)、Alloy52(金属に対するガラス及びセラミックシールに適しているニッケル鉄合金)、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、ステンレススチール446(高温腐食及び酸化性に対する良好な耐性を提供する非加熱処理可能なフェライトステンレススチール)、及びチタンの少なくとも一種のような金属から形成される。 上述の事項を利用するガラス−金属シールの本体は、300シリーズのステンレススチール、例えば、304、304L、316、及び316L合金から製造されてもよい。この本体は、インコネル(Inconel)(圧力及び熱に供される極端な環境における使用に適した耐酸化性及び耐食性材料であるオーステナイトニッケル−クロム系超合金のファミリー)、及びハステロイ(Hastelloy)(ニッケル及び様々な割合のモリブデン、クロム、コバルト、鉄、銅、マンガン、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、炭素、及びタングステンを含む高い耐食性を有する金属合金)等の様々なニッケル合金のうちの少なくとも1つ等の金属から構成されていてもよい。 ガラス−金属シールにおけるフィードスルー19と周りの本体との間の絶縁材料は、典型的にはガラスである。その組成は、シールの各製造者のプロプライエタリな資産であり、シールが圧縮下にあるか、それとも適合した状態にあるかに依存する。ガラス−金属シールにおいて他の絶縁材料を使用してもよい。例えば、シールにおいて様々なポリマーを使用してもよい。したがって、用語「ガラス−金属」シールは、単にシールの種類を示すものであり、当該シールがガラスを含まなければならないことが意味されているわけではない。 ウルトラキャパシタ10のためのハウジング7は、例えば、タイプ304、304L、316、及び316Lステンレススチールから構成されていてもよい。それらは、1100、3003、5052、4043、及び6061等のアルミニウム合金のうちの一部から構成されていてもよいが、これらに限定されない。様々な多層材料を使用してもよいし、例えば、ステンレススチールに対するアルミニウムクラッド等を含んでいてもよい。使用されうる化学反応を起こさない他の非限定的な金属には、プラチナ、金、ロジウム、ルテニウム、及び銀が含まれる。 ウルトラキャパシタ10において用いられるガラス−金属シールの特定の例には、2つの異なるタイプのガラス−金属シールが含まれる。最初のものは、ニューヨーク州エルムスフォールドに米国支部を有するショット(SCHOTT)から得られるものである。この実施形態は、ステンレススチールピン、ガラス絶縁体、及びステンレススチール本体を使用する。第2のものは、オハイオ州シンシナティーのハーマティックシールテクノロジー(HERMETIC SEAL TECHNOLOGY)から得られるものである。この第2の例は、タンタルピン、ガラス絶縁体、及びステンレススチール本体を使用する。様々なサイズの様々な実施形態を提供してもよい。 ガラス−金属シールの追加の例は、アルミニウムシール及びアルミニウム本体を使用する実施形態を含む。ガラス−金属シールのさらに別の例には、エポキシ、しくは他の絶縁材料(例えば、セラミックスもしくはシリコン等)を使用するアルミニウムシールが含まれる。 所望により、多数くのガラス−金属シールの態様が構成されていてもよい。例えば、ハウジング及びピンの寸法と、ピン及びハウジングの材料とは、適切に変更してもよい。ピンは、また、中空又は中実のピンであってもよく、一のカバーにおいて複数のピンを有していてもよい。ピンに使用される最も一般的なタイプの材料はステンレススチール合金、銅コアのステンレススチール、モリブデン、プラチナ−イリジウム、様々なニッケル−鉄合金、タンタル、及び他の金属であるが、何らかの非伝統的な材料を使用してもよい(例えば、アルミニウム)。ハウジングは、通常、ステンレススチール、チタン、及び/又は様々な他の材料から形成されていてもよい。 ウルトラキャパシタ10の組み立てにおいて、様々な固定技術を使用してもよい。例えば、溶接に関して、様々な溶接技術を使用してもよい。以下は、それぞれのタイプの溶接を使用する溶接のタイプ及び様々な目的を例示的に列挙するものである。 超音波溶接が使用されてもよく、とりわけ、集電体にアルミニウムタブを溶接すること、下部クラッドカバーにタブを溶接すること、ガラス−金属シールピンに接続されたクラッドブリッジにジャンパタブを溶接すること、及び複数のゼリーロールタブを互いに溶接することを含む。パルス又は抵抗溶接が使用されてもよく、とりわけ、金属容器の下部又はピンにリード線を溶接すること、集電体にリード線を溶接すること、クラッドブリッジにジャンパを溶接すること、端子8へクラッドブリッジを溶接すること、下部カバーにリード線を溶接することを含む。レーザー溶接が使用されてもよく、とりわけ、ステンレススチール金属容器にステンレススチールカバーを溶接すること、ステンレススチールガラス−金属シールピンへのステンレススチールブリッジを溶接すること、及び注入口にプラグを溶接することを含む。TIG溶接が使用されてもよく、とりわけ、アルミニウム金属容器にアルミニウムカバーを封止すること、及びアルミニウム封止を所定の場所に溶接することを含む。冷間圧接(複数の金属を強い力で互いに圧迫すること)が使用されてもよく、とりわけ、アルミニウムボール/鋲を注入口に力をかけてはめこむことにより注入口を封止することを含む。 ある特定の実施形態において、図23を参照すると、例示的な電極3の構成要素が示されている。この例では、電極3は負極3(a)として使用されるが、しかしながら、この表示は任意であり、単に参照のためのものである。 図面から分かるように、少なくともこの実施形態においては、セパレータ5は、概して、エネルギー貯蔵媒体1(及び集電体2)より長い長さ及びより広い幅を有する。より大きなセパレータ5を使用することにより、正極3(b)と負極3(a)との短絡に対して保護を与える。また、セパレータ5において追加の材料を使用することは、リード線及び端子8の良好な電気的保護を提供する。 貯蔵セル12の実施形態の側面図を提供する、図24に示すもう1つの実施形態では、エネルギー貯蔵媒体1のレイヤースタックには、第1のセパレータ5及び第2のセパレータ5が含まれ、これにより、貯蔵セル12が巻回された貯蔵セル23に組み立てられるとき、電極3は電気的に分離される。電極3及びウルトラキャパシタ10の組み立てに関し、用語「正」及び「負」は、単に任意であり、ウルトラキャパシタ10内において構成され、電荷がその中に保存されるときのの機能を示していることに留意すべきである。当該技術分野において一般的に採用されるこの慣例は、組み立ての前に電荷が保存されることを適用すること、もしくは、異なる電極の物理的同定のために提供されるもの以外の他の任意の態様を暗示することを意味するものではない。 貯蔵セル12を巻回する前に、負極3(a)及び正極3(b)を互いに整列させる。電極3(a)及び(b)を整列させることにより、最良の整列が存在するとき、イオン移動のための経路長は一般に最小化されるので、ウルトラキャパシタ10の性能はより良好となる。さらに、高い整列度を与えることにより、過剰のセパレータ5が含まれず、結果として、ウルトラキャパシタ10の効率は損なわれない。 ここで図25を参照すると、貯蔵セル12の実施形態が示されている。ここでは、電極3は巻回され、巻回された貯蔵セル23となっている。セパレータ5の1つは、貯蔵セル12の最も外側の層として存在し、エネルギー貯蔵媒体1をハウジング7の内部から分離する。 巻回された貯蔵セル23内の複数の最も外側の電極を本体10の極性と一致させるため、「極性マッチング」を採用してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、負極3(a)は、巻回された貯蔵セル23を提供するタイトにパックされたパッケージの最も外側に存在する。これらの実施形態において、短絡に対するさらなる確実度が提供される。換言すれば、負極3(a)が本体10と接続される箇所において、負極3(a)は、巻回された貯蔵セル23における最も外側の電極として配置されている。したがって、例えば、使用中におけるウルトラキャパシタ10の振動により誘発される機械的摩耗等によりセパレータ5が劣化する場合、ウルトラキャパシタ10は、巻回された貯蔵セル23における最も外側の電極と本体10との間の短絡の結果として故障することはないであろう。 巻回された貯蔵セル23の各実施形態について、(例えば図25を参照)少なくともセパレータ5内に基準マーク72が存在してもよい。この基準マーク72は、各電極3にリード線の位置決めを行うために使用される。いくつかの実施形態において、リード線の位置決めは計算により行われる。例えば、組み合わされたセパレータ5及び電極3についてゼリーロールの内径及び全厚さを考慮することにより、各リード線の設置のための位置を推定してもよい。しかしながら、基準マーク72を使用することがより効率的かつ効果的であることが実施によりわかった。基準マーク72には、例えば、1つ又は複数のセパレータ5のエッジにおけるスリットが含まれていてもよい。 概して、基準マーク72は、貯蔵セル12の各新たな仕様ごとに採用される。換言すれば、貯蔵セル12の新たな仕様は、そこに存する少なくとも1つの層の異なる厚さ(前の実施形態を超える)を要求しうるので、以前の基準マークを使用することは少なくとも幾分不正確となりうる。 概して、基準マーク72は、ロールを、その中心からその外周まで横断する単一の放射状のラインとして明示されている。したがって、リード線が基準マーク72に沿って設置される際、各リード線は、残りのリード線と整列している。しかしながら、(貯蔵セル12がロールであるか、ロール12になる実施形態について)貯蔵セル12が巻回されていないとき、基準マーク72は、複数のマーキング(図26に示されている)であると考えられうる。慣行として、貯蔵セル12をマーキングすることの実施形態もしくは外観に拘わらず、リード線の組み込みのための位置を識別することは、「基準マーク72」もしくは「一組の基準マーク72」を決定することが含まれると考えられる。 ここで図26を参照すると、いったん基準マーク72が(例えば、巻回された貯蔵セル12にマーキングすることにより)確立されると、各リード線を設置するための設置場所が提供される(すなわち、基準マーク72により記載される)。いったん各設置場所が識別されると、任意の与えられた貯蔵セル12のビルド仕様に関して、各設置場所の相対位置が、貯蔵セル12の特定のビルドの追加の例について繰り返しされてもよい。 概して、各リード線は、貯蔵セル12内のそれぞれの集電体2に接続される。いくつかの実施形態において、集電体2とリード線の両方が、アルミニウムにより製造される。概して、リード線は、幅Wにわたって集電体2に接続されるが、しかしながら、リード線は、幅Wの一部のみで接続されてもよい。当該接続は、例えば、リード線を集電体2に超音波溶接することにより達成してもよい。接続を達成するため、エネルギー貯蔵媒体1の少なくとも一部を(適切に)除去し、これにより、各リード線を適切に集電体2と接続してもよい。接続を提供するため、適切と認められる他の作製及び調整を行ってもよい。 ある実施形態では、反対側の基準マーク73が含まれていてもよい。換言すれば、基準マーク72が与えられているのと同様な方法で、一組の反対側の基準マーク73が作製され、逆極性のリード線が設置される。すなわち、例えば負極3(a)等の第1の電極3にリード線を設置するために基準マーク72を使用してもよく、一方、正極3(b)にリード線を設置するために、反対側の基準マーク73を使用してもよい。巻回された貯蔵セル23が円柱状である実施形態において、反対側の基準マーク73は、エネルギー貯蔵媒体1の反対側に配置され、(図示のように)長さに関して基準マーク72からずれている。 図26において、基準マーク72及び反対側の基準マーク73は、両方とも、単一の電極3の上に配置されるように示されていることに留意する。すなわち、図23は、基準マーク72及び反対側の基準マーク73の空間的(すなわち、直線的)関係を単に例示するための実施形態を示していることに留意すべきである。これは、正極3(b)及び負極3(a)が、エネルギー貯蔵媒体1を共有することを含意するわけではない。しかしながら、貯蔵セル12を巻回しその後セパレータ5をマークすることにより基準マーク72及び反対側の基準マーク73が配置される例において、基準マーク72及び反対側の基準マーク73が実際に単一のセパレータ5の上に提供されてもよいことに留意すべきである。しかしながら、実際は、1組の基準マーク72及び反対側の基準マーク73が任意の所定の電極3にリード線を設置するために使用されるであろう。すなわち、図26の実施形態は、逆極性を有するであろう他の電極3のためのエネルギー貯蔵媒体1の他の層によって補われることを認識すべきである。 図27に示すように、前述の組み立て技術により、少なくとも一組の整列されたリード線を含む貯蔵セル12となる。第1の組の整列されたリード線91は、巻回された貯蔵セル23を負の接点55及び正の接点56の一方に接続する際、特に有用である。一方、一組の反対側の整列されたリード線92は、エネルギー貯蔵媒体1を逆の接点(55、56)に接続する。 巻回された貯蔵セル23は、ラッパー93により包囲されていてもよい。ラッパー93は、様々な実施形態で実現されてもよい。例えば、ラッパー93は、KAPTON(登録商標)テープ(これは、ドイツ国ウィルミングトンのデュポン(DuPont)により開発されたポリイミドフィルムである)もしくはPTFEテープとして与えてもよい。この例において、KAPTON(登録商標)テープは、巻回された貯蔵セル23を包囲し、それに付着される。巻回された貯蔵セル23にスライド挿入されているタイトにフィッティングしているもののようなラッパー93は、接着剤を用いることなく、提供されてもよい。ラッパー93は、巻回された貯蔵セル23を全体的に巻き込むもの(例えば、前で議論した図11のエンベロープ73等)のようなバッグとして、さらに明示されてもよい。これらの実施形態のいくつかにおいて、ラッパー93は、シュリンクラップとして機能する材料を含んでいてもよく、それゆえ、巻回された貯蔵セル23の効果的な物理的(そして、一部の実施形態では化学的)包囲物を提供してもよい。概して、ラッパー93が、ウルトラキャパシタ10の電気化学的機能と相互作用しない材料から形成される。例えば、巻回された貯蔵セル23の挿入を支援するため、ラッパー93は、また、必要に応じて、部分的カバーを提供してもよい。 いくつかの実施形態において、負のリード線及び正のリード線は、巻回された貯蔵セル23の反対側に配置されている(ゼリーロールタイプの巻回された貯蔵セル23の場合において、負の極性のためのリード線及び正の極性のためのリード線が直径方向について反対側にある)。概して、負の極性のリード線及び正の極性のリード線を巻回された貯蔵セル23の反対側に配置することは、巻回された貯蔵セル23の製造を容易にするため、且つ、改良された電気的分離を提供するため実行される。 いくつかの実施形態において、整列されたリード線91、92がいったん組み立てられると、複数の整列されたリード線91、92の周りにシュリンクラップ(図示せず)が配置されるように、複数の整列されたリード線91、92のそれぞれは、その場所で)一体に束ねられる。概して、シュリンクラップはPTFEにより形成されるが、しかしながら、互換性を有する任意の材料を使用してもよい。 いくつかの実施形態において、いったんシュリンクラップ材料が整列されたリード線91の周りに配置されると、整列されたリード線91は、ウルトラキャパシタ10が組み立てられる際に呈する所定形状に折り曲げられる。すなわち、図28に関し、整列されたリード線は「Z」形状を呈すると理解されうる。「Z−折り曲げ部」を整列されたリード線91、92に与え、シュリンクラップを適用した後、整列されたリード線91、92の周りの場所でシュリンクラップが収縮するように、シュリンクラップを加熱し、さもなければ活性化してもよい。したがって、いくつかの実施形態において、整列されたリード線91、92は、ラッパーにより真っ直ぐにされ、そして保護されてもよい。Z状折り曲げの使用は、エネルギー貯蔵媒体1をキャップ24内に配置されたフィードスルー19に接続する際、特に有用である。 さらに、各組の整列されたリード線91、92(すなわち、各端子8)を各接点55、56に接続する他の実施形態が実施されてもよい。例えば、ある実施形態では、各組の整列されたリード線91、92との接続が容易となるように、フィードスルー19及びハウジング7の一方に中間リード線が接続される。 さらに、使用される材料は、反応性、誘電値、融点、他の材料への付着性、溶接可能性、摩擦係数、コスト、及び他のそのようなファクター等の特性にしたがって選択されてもよい。所望の特性を提供するために、複数の材料の組み合わせ(例えば、多層化された、混合された、さもなければ組み合わせ)を使用してもよい。 本明細書に開示されたウルトラキャパシタにおける、水、金属、及び有機不純物を含む不純物のレベルは、所望の性能を達成するために重要である可能性がある。所定の実施形態において、封止されたウルトラキャパシタ10のハウジング7が開かれてもよく、貯蔵セル12は不純物についてサンプリングされる。水分含有量は、セル42からの電極、セパレータ、及び電解質についてカールフィッシャー法を用いて測定してもよい。3つの測定を行い、平均を取ってもよい。 概して、ウルトラキャパシタ内の混入物質を特徴づけるための方法には、その含有量にアクセルするためハウジング7を破壊すること、その内容物をサンプリングすること、及びサンプルを分析することが含まれる。本明細書の他の箇所において開示された技術を、上記特徴づけをサポートして使用してもよい。 ウルトラキャパシタと、電極、電解質、及びセパレータを含むその構成要素内における不純物の正確な測定を確実なものとするため、組み立て及び分解を適切な環境、例えば、グローブボックス内の不活性な環境において実行してもよいことに留意すべきである。 ウルトラキャパシタ10内の水分含有量を(電解液の質量及び体積について500ppm未満まで、また、不純物を1,000ppmまで)減少させることにより、ウルトラキャパシタ10は、広い温度範囲にわたって、その温度範囲及び電圧範囲内では10アンペア/リットル未満の漏れ電流(I/L)で、より効率的に動作しうる。 ある実施形態において、特定の温度における漏れ電流(I/L)は、72時間にわたって、定格電圧(すなわち、最大定格動作電圧)においてウルトラキャパシタ10の電圧を一定に維持することにより測定される。この期間内において、温度は、特定の温度において、比較的一定に維持される。測定期間の最後に、ウルトラキャパシタ10の漏れ電流を測定する。 いくつかの実施形態において、ウルトラキャパシタ10の最大電圧定格は、室温において約4Vである。高温(例えば、摂氏210度を超える)においてウルトラキャパシタ10の性能を確保するためのアプローチは、ウルトラキャパシタ10の電圧定格を低下(すなわち、減少)させることである。例えば、より高い温度における長い動作期間を達成できるように、電圧定格は、約0.5Vを下回るように調整されてもよい。 例示的なウルトラキャパシタ10の物理的態様は次の表6〜表9に示される。以下の表において、用語「タブ」は、概して、前に議論された「リード線」を示し、用語「ブリッジ」及び「ジャンパ」もまた、ある態様のリード線を示す(例えば、ブリッジは、フィードスルーもしくは「ピン」に接続される一方、ジャンパは、ブリッジをタブもしくはリード線に接続するのに有用である)。様々な接続を使用することにより、組み立てプロセスを容易にし、ある組み立て技術を利用する。例えば、ブリッジは、ピンに対してレーザ溶接もしくは電気抵抗溶接され、ジャンパに対して超音波溶接で接続される。
概して、ウルトラキャパシタ10は、様々な環境条件及び要求の下で使用してもよい。例えば、端子電圧は約100mVから10Vまでの範囲であってもよい。周囲の温度は、摂氏約−40度から摂氏+210度までの範囲かであってもよい。典型的な高温の周囲温度は、摂氏約+60度から摂氏+210度までの範囲にわたる。 表10及び表11は、ウルトラキャパシタ10のこれらの実施形態について比較性能データを提供する。性能データを、図示された様々な動作条件について収集した。
このように、表10及び表11に与えられたデータは、本明細書における教示が、極限条件下でウルトラキャパシタの性能を可能とすることを実証している。これにしたがって製造されたウルトラキャパシタは、例えば、(約2V未満の電圧かつ摂氏約150度未満の温度で保持されつつ)1ミリリットルのセル体積当たり約1mA未満の漏れ電流を示し、500時間内において約100パーセント未満のESR増加を示す。ウルトラキャパシタの様々な要求(例えば、電圧及び温度)の中でトレードオフがなされるので、ウルトラキャパシタのための性能定格(例えば、ESR、容量等の増大のレート)を管理してもよいし、特定のニーズに合わせて調整してもよい。前述の事項に関連して、「性能レーティング」には、概して、動作条件を説明するパラメータの値に関連する従来の定義が与えられることに留意すべきである。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドを含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩を含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩を含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−ヘキシル3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩を含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドを含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸塩を含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムテトラシアノホウ酸塩を含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸潮を含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノホウ酸塩を含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム及び1−ブチル−1−メチルピロリジニウム及びテトラシアノホウ酸塩を含むAESを具有していた。 試験された例示的な他のウルトラキャパシタには、1−ブチル−1−メチルピロリジニウム及びテトラシアノホウ酸塩及びエチルイソプロピルスルホンを含むAESを具有していた。 表10において示され、本明細書の他の箇所において示された容量及びESRの測定は、一般に既知の方法に従って行ったことに留意すべきである。まず、容量を測定するための技術について検討する。 容量は、数多くの方法により測定することができる。一の方法は、既知の電流が(「放電」中に)ウルトラキャパシタから引き出され、もしくは(「充電」中に)ウルトラキャパシタへ供給されているとき、キャパシタ端子に現れる電圧をモニタリングすることを含む。より具体的には、我々は、理想的キャパシタは次式に従うという事実を利用してもよい。 I=C×dV/dt ここで、Iは充電電流を示し、Cは容量を示し、dV/dtは理想的ウルトラキャパシタの電圧Vの時間微分を示している。理想的キャパシタは、とりわけ、その内部抵抗が零であり、その容量が電圧依存性を有するものである。充電電圧Iが一定である場合、電圧Vは時間に関して線形である。そのため、dV/dtはその直線の傾き、もしくはΔV/ΔTとして計算することができる。しかしながら、この方法は概して近似であり、容量の計算もしくは測定において、キャパシタの実効直列抵抗により与えられる電圧差(ESR降下)が考慮されるべきである。概して、実効直列抵抗(ESR)は、キャパシタ内の散逸効果もしくは他の効果の集中定数近似である。キャパシタの挙動は、しばしば、ESRに等しい抵抗値を有する抵抗と直列に接続された理想的キャパシタを含む回路モデルから導出される。概して、これは、正確なキャパシタ挙動に対して良好な近似を提供する。 容量を測定する1つの方法において、内部抵抗が実質的に電圧から独立であり、充電電流もしくは放電電流が実質的に固定されている場合、ESR降下の影響を殆ど無視することができる。その場合、ESR降下は、定数として近似することができ、上記一定電流の充電もしくは放電の間、電圧の変化の計算値から差し引かれる。その際、電圧の変化は、実質的に、キャパシタ上の貯蔵された電荷の変化を反映している。したがって、電圧の変化は、計算により、容量のインジケータと解釈されうる。 例えば、一定電流の放電中において、一定電流Iは既知である。測定時間区間ΔTにおいて放電中の電圧変化ΔVを測定し、比ΔV/ΔTにより電流値Iを除算することにより、容量の近似値を得る。Iがアンペアで測定され、ΔVがボルトで測定され、ΔTが秒で測定されるとき、容量の結果はファラッドの単位となる。 ESRの推定に移ると、ウルトラキャパシタの実効直列抵抗(ESR)は、多数の方法により測定してもよい。一の方法は、既知の電流が(「放電」中に)ウルトラキャパシタから引き出され、もしくは(「充電」中に)ウルトラキャパシタへ供給されているとき、キャパシタ端子に現れる電圧をモニタリングすることを含む。より具体的には、ESRは次式に従うという事実を用いてもよい。 V=I×R ここで、Iは、ESRを有効に通過する電流を示し、RはESRの抵抗値を示し、Vは、ESRにより与えられる電圧差(ESR降下)を示す。ESRは、概して、ウルトラキャパシタ内の散逸特性もしくは他の特性の集中定数近似である。ウルトラキャパシタの挙動は、しばしば、ESRに等しい抵抗値を有する抵抗と直列に接続された理想的キャパシタを含む回路モデルから導出される。概して、これは、正確なキャパシタ挙動に対して良好な近似を提供する。 ESRを測定するある方法において、停止状態にあったキャパシタ(実質的な電流で充電もしくは放電されていないもの)からの放電電流を引き込むことを開始してもよい。キャパシタ上の貯蔵された電荷の変化に起因するキャパシタにより表される電圧変化が時間区間の間、が、測定された電圧変化に比較して小さい間、その測定された電圧変化は、実質的に、キャパシタのESRを反映したものである。これらの条件下、キャパシタにより表された直前の電圧変化は、計算により、ESRのインジケータと解釈されうる。 例えば、キャパシタから放電電流の引き出すことを開始する際、測定区間ΔTにわたって、直前の電圧変化ΔVにより表すことができる。測定区間間隔ΔTの間、既知の電流Iにより放電されたキャパシタの容量Cは、測定された電圧変化ΔVと比較して小さい電圧変化を発生させる限り、時間区間ΔTの間のΔVを放電電流Iで除算してESRの近似値を得てもよい。Iがアンペアで測定され、ΔVがボルトで測定される場合、ESRの結果はΩの単位を有する。 ESR及び容量の両方が周囲の温度に依存する。それゆえ、関連する測定は、測定の間、目的の特定の周囲の温度にウルトラキャパシタ10を供することをユーザに要求する。 漏れ電流の性能要件は、概して、特定の用途において広く行き渡っている環境条件により定義される。例えば、20ccの体積を有するキャパシタに関し、漏れ電流の実用的な限界値は、100mA未満に降下しうる。 正規化されたパラメータの公称値は、正規化されたパラメータ(例えば体積漏れ電流)に正規化指数(例えば体積)を乗算すること、又は、正規化されたパラメータを正規化指数で除算することにより得られうる。例えば、10mA/ccの体積当たりの漏れ電流、及び50ccの体積を有するウルトラキャパシタの名目漏れ電流は、体積当たりの漏れ電流と体積との積、すなわち500mAである。一方、20ミリオーム・ccの体積当たりのESR及び50ccの体積を有するウルトラキャパシタの名目ESRは、体積当たりのESRと体積との商、すなわち0.4ミリオームである。 5.モジュール式信号インターフェース装置(MSID) 本明細書に開示された装置、システム、及び方法は、モジュール式信号のインターフェース装置(modular signal interface device:「MSID」)を含む。MSIDは、本明細書に開示された装置、システム、及び方法の様々な有利な態様を可能にする多数の機能を実行するように動作し、それらの機能は、(1)高温電力システム、例えば坑井内電源システムのエネルギー貯蔵構成要素を制御することを含み、他の利点の中でもとりわけ、向上したバッテリー消費効率、より高い電力能力、電力バッファリングのような利点を提供することで、電圧安定性により信頼性を向上させ、(2)高温環境中のデータを記録する手段、例えば坑井内データ記録システムを提供すること、又は(3)として(1)及び(2)の両方を含む。MSIDはモジュール式装置である。すなわち、それは、あらかじめ組み立てられた構成要素であって、モジュール式に取り付けられてもよく、所望の機能を提供するために様々な組み合わせから選択されてもよい構成要素から製造されてもよい。さらに、任意のエネルギー貯蔵装置構成要素は、少なくとも本明細書で説明したHTRESを含んでもよい。任意のHTRESは、本明細書で説明した少なくとも1つの高温ウルトラキャパシタを備えてもよい。 MSIDのモジュール式アーキテクチャは、製造容易性を向上させ、同様に、本明細書に開示された装置及びシステムの製造の速さを加速する。従って、本明細書に開示されたMSIDのもう1つの利点は、製造コストの低減である。さらに、MSIDのモジュール式アーキテクチャは、機能並びに便利さを追加することの容易さを向上させ、これは、機能の維持又はアップグレードのコストを低減することに役立つ。モジュール式構成は、さらに、回路を分析のために素早く接続及び切断することができるので、設計及びデバッグサイクルを縮小することに役立つ。本明細書で説明したモジュール式システムのフレームワーク内では、新規な設計及び機能は、配線、寸法、又は回路基板レイアウトに実質的変化を生じる必要なく、迅速に追加可能である。 モジュール式設計は、いくつかの態様のモジュール性を備える。MSIDを備える装置又はシステムは、所定の機能を行うか又は所定の態様を提供するようにそれぞれ設計された少なくとも1つのモジュール、例えば、2つのモジュールを備えてもよく、モジュールは別個のハウジングを備えてもよく、また、それらはコネクタインタフェースで互いにインターフェースを有してもよい。いくつかの実施形態において、上記コネクタインタフェースは、ピン又はレセプタクルのうちの1つを備えるコネクタハウジング及びコネクタを備える。いくつかの実施形態において、嵌合するコネクタによって互いに接続するように、様々なモジュールが構成される。いくつかの実施形態において、1つのモジュールはMSIDを備え、MSIDは、電力システム構成要素及び/又はデータシステム構成要素、例えば、ハウジング及びHTRESを備える回路及び他のモジュールを備え、それは、少なくとも1つのウルトラキャパシタ、例えば1〜100個のウルトラキャパシタセルを備えるウルトラキャパシタストリング)を備えてもよい。 MSIDのモジュール式設計は、そのコアにおいて特定の回路基板アーキテクチャの使用を導出する。これは、均一性及びモジュール性を提供するスタッカによって電気的に接続される、縮小サイズの複数の円形回路基板から開始して、電気的通信はモジュール式バスを介して接続され、これは、所定の実施形態では、外部装置にMSIDを関連づけることを支援しうる接続回路基板に接続され、各回路の機能は監視装置によってローカルに制御されてもよく、これは、モジュール式バスとインターフェースをとる回路間のインターフェースを簡単化し、回路基板の組み合わせ全体は、MSID、又は電力システムのMSID及び任意のHTRESを組み込むように設計されたツールストリングの空間効率的なハウジングに含まれていてもよい。 回路基板は、モジュール式バスを簡単化するか、さもなければ支援するためのディジタル監視装置を備えてもよい。例えば、所定の機能のために設計された回路が、モジュール式バスのピンにおける信号の標準的な割り当てに容易に適応可能でない構成要素を備えてもよく、又は、複数の異なる回路が、共用されるモジュール式バス上で互いに容易に適応可能でない構成要素を備えてもよい。モジュール式バスとインターフェースをとる回路基板上に配置されたディジタル監視装置は、共用されるモジュール式バスに上記構成要素を適応させるように動作してもよい。具体的には、例示によって、ディジタル監視装置は、ディジタル識別情報の割り当てを受けて、モジュール式バス上で共用される通信を確立してもよい。ディジタル監視装置は、他の監視装置又は他のコントローラから命令を受信し、それに応じて、それらの各回路の機能を制御してもよい。もう1つの例示として、ディジタル監視装置は、それらの各回路の態様を問い合わせるか測定し、その情報をディジタル信号として共用されるモジュール式バスへ報告してもよい。ディジタル監視装置の例は、マイクロコントローラ、例えば、米国アリゾナ州チャンドラーのマイクロチップテクノロジーインコーポレイテッド(Microchip Technology, Inc.)から入手可能な16Fシリーズを含む。 a.全体MSID構成要素 データ記録及び/又は報告のための電力システム及び/又はデータインタフェースにおいて有用である、本明細書に開示したMSIDは、 次の構成要素で構成されてもよい。 i.回路基板 MSIDのモジュール式設計は、概して、円形形状の回路基板を組み込み、これは、円柱体積、すなわち円柱状ハウジングの場合に一般的な長方形デザインのものが提供するであろうものに比較して、回路/電力及び信号密度を増大させる(又は最大化する)ことを可能にする。これらの回路基板は、動作温度(例えば、摂氏125度〜摂氏150度)において構造的完全性を保証するために、概して、高いガラス転移温度(例えばTg =摂氏260度)を有する高温ラミネート(例えばp95/p96ポリイミド)からなる。さらに、基板は、熱性能を改善するために、(4以上の)複数の銅の層を含んでいてもよい。 円形回路基板は、特に坑井内用途で、従来の長方形の回路基板に対する多数の利点を可能にする。図39に示すように、MSID390は複数の円形回路基板62を備える。図32を参照して以下に述べるように、バスコネクタ320であってもよいスタッカ394を用いて、複数の円形回路基板は、接続されてもよい。したがって、複数の円形回路基板323のスタック391が本明細書に開示され、個々の回路基板323は、回路基板のスタック391における他の任意の回路基板323に電力を伝送及び/又は転送してもよい。図39に示すように、円形回路基板のスタック391を備えるMSIDは、1つ又は複数のマルチピン外部コネクタ392及び393と嵌合されてもよく、それは、回路基板のスタック391に接続されてもよく、及び/又は、オプションで各円形回路基板323に個々に接続されてもよい。このように、MSIDは、他の装置、例えばHTRES、又はツールストリングを備える坑井内ツールへの、及びそのような装置からの通信及び電力伝送を可能にする。各マルチピン外部コネクタ392又は393は、特定用途の要件、例えば、必要とされる電力伝送接続、必要とされるデータ接続、冗長性、及び頑健さに基づいて、MDMタイプコネクタ(例えばマイクロD)のような様々な利用可能なコネクタから選ばれてもよい。[00465]円形回路基板は、坑井内環境において特に有利である。ここでは、典型的な坑井内ツールストリングのフォームファクタは円柱状MSID構成要素を必要とし、空間的制約が大きくなる。円形回路基板、例えば本明細書に開示されるようなスタック可能な円形回路基板は、坑井内空間及びMSID内の接続性、例えばデータ及び電力伝送の利用に関して、より高い効率を可能にすることができる。 ii.スタッカ 所定の実施形態において、モジュール式アーキテクチャは、図32に示すように、ヘッダ及びレセプタクルを備えるバスコネクタとして基板スタッカを利用する。これは、回路基板の電気的な接続及び切断を容易かつ便利に行う方法を提供する。スタッカは、モジュール式アーキテクチャによって永続するすべての回路が機械的に互換性を有し、互いに合うように、上部及び下部スタッカの整列及び反復可能な位置決めを行うために、回路アーキテクチャにおいてトポロジー的に位置決めされる。図32に示すように、上述した円形回路基板と同様に、円形回路基板323としてここで示した回路基板は、スタッカを使用して、スタックされた構成で取り付けられてもよい。図32に示すように、回路基板323間の電気的な接続を提供するために、スタッカは、さらにバスコネクタ320として動作してもよい。所定の実施形態では、図32に示すように、バスコネクタ320はメス構成要素321及びオス構成要素322を備え、それらはを相互接続することで、回路基板323をスタックされた形式で接続することと、回路基板323を切断してそれらを分解することとが容易化される。本明細書に開示されたMSIDの所定の実施形態のこの特徴は、装置及びシステムのモジュール性をさらに向上する。 さらに、スタッカは、摂氏75度より高い温度、例えば摂氏125度より高い温度、例えば摂氏150度より高い温度におけるそれらの有用性と、例えば嵌合レセプタクルへのバネクリップ又はツイストピンなどの係合による、構造上の強度を失うことなくヘッダの嵌合ピンとの接触を確立するそれらの能力とに基づいて選択される。特定の実施形態において、スタッカは、金属であり、坑井内掘削の場合のように、熱に加えて機械的振動及び衝撃にさらされたときに構造上の強度を提供するように構成される。特定の実施形態において、スタッカ接続装置は、比較的より小さなサイズを有する回路基板を合うように小型である。 さらに、所定の実施形態において、切断が生じたとき、切断の影響を緩和するために、電気的な冗長性が使用される。特定の実施形態において、電力線はスタッカにおける複数の冗長なラインを有する。例えば、電子回路へのキャパシタストリング接続は、増大した信頼性のために2本のピン上で行われてもよく、減少したライン抵抗は、より少ないエネルギー損及びより大きなピーク電力をもたらす。 ファームウェアに関して、通信はスタッカハードウェアによっても可能になる。限られた量の空間のために、通信する多数のラインの要件に起因して、アーキテクチャに適さない多数の通信プロトコルがある。所定の実施形態において、MSIDに組み込まれる通信プロトコルは、無制限の個数の周辺装置に対処することができる4つのライン、すなわち、(1)データ:バイナリ信号;(2)クロック:データライン上のデータキャプチャのトリガとして使用される;(3)ポーリング:データ方向を制御し、かつハードウェアを簡単化する追加の信号;及び、(4)接地:すべての回路に共通のシステム全体にわたるノードを利用する、同期通信プロトコルを備える。 さらに、所定の実施形態において、MSIDは、増大した構造的完全性のために回路基板間に配置されたスタンドオフを有して構成される。概して、スタンドオフのサポートは各回路間の間隔を維持する剛性のサポートを提供する。スタンドオフのサポートのそれぞれは、適切であれば、金属材料及び/又はポリマーの形式のような絶縁材料のような材料から製造されてもよい。 いくつかの実施形態において、本発明の回路は円形であってもよい。いくつかの実施形態において、本発明の回路はスタック可能であってもよい。いくつかの実施形態において、本発明の回路は、図39に示すように、回路基板のスタック391を形成するようにスタックされてもよい。いくつかの実施形態において、本発明の回路は円形かつスタック可能であってもよく、及び/又は、スタックされていてもよい。 iii.接続回路基板 さらに、所定の実施形態において、MSIDは接続回路基板を備える。接続回路基板は、製造容易性及び便利さを緩和し、電気的保護を提供してもよい。接続回路基板は、電力システム又はデータ記録及び/又は報告システムの終端コネクタに接続回路基板を電気的に接続することができる。接続回路基板は、さらに、終端コネクタワイヤ又は他のワイヤをスタッカに接続してもよく、スタッカにより、これらの信号がモジュール式回路基板によってアクセスされることを可能にする。接続回路基板と、スタック可能な回路のモジュール式アーキテクチャとを使用することにより、回路は、必要であれば、速くシステムから迅速に取り外され、置き換えることができる。 接続回路基板は、そのような電気的接続において以前は必要であった、扱いにくいバットジョイント(butt joint)の量を削減する。この点で、接続回路基板及びモジュール式アーキテクチャの以前では、すべての配線はすべての回路基板を通過すること、非常に微妙でありかつ退屈な処理を必要とし、この結果、使用可能な表面積は少なくなり、生産量及び品質は低下し、信頼性は低下し、製造時間は長くなった。 所定の実施形態において、接続回路基板は、さらに、電子回路の敏感なノードを保護するために、ESD保護(TVSダイオード及びRCスナバ)を含む。接続回路基板は、プログラミングラインを多重化し、高電圧プログラミングラインを別個のままにしておくことにより、バス上に取り付けられた任意の個別回路のプログラミングを容易にするために使用されてもよい。 監視装置構成要素は、接続回路基板に接続された追加の回路基板へのプロトコルコマンド及びその回路基板からのプロトコルコマンドを関連づけることができる。 iv.システムハウジング 坑井内電子回路とともに使用するためのMSIDを含んでいるハウジングは、ツールストリングの内部で配置されてもよい。ハウジングは本発明のシステムの配置に適した任意の形状であってもよいが、所定の実施形態において、ハウジングは円形であり、本明細書で説明した円形回路基板の直径に適合する。優位点として、本発明の本システム、例えば電力システム又はデータ記録及び/又は報告システムはハウジング内に配置され、同じ目的で使用される既存システムと比較して、ツールストリングにおける貴重な空間のより少量を使用する。そのような追加の空間効率は、MSIDを備える回路及びアーキテクチャで達成される、より高い電力及び/又は信号密度から導出される。ハウジングの減少した内径は、ハウジング材料の十分な厚さを保持ながら、ハウジングの外径を低減させる能力を提供する。動作可能な回路のそのようなサイズ削減は、大きな進歩性を有する回路設計を伴うものであった。しかしながら、本明細書では以下に、便利さ及び製造の容易さのためのハウジングのモジュール式の態様を増大させる、ハウジングの改良に係る追加の実施形態を示す。 図10及び図39に示すように、本明細書に開示されたハウジングは、坑井内環境で使用される、頑健なモジュール式の装置及びシステムを提供する。図10A及び10Bは、本明細書に開示した所定の実施形態による例示的な装置を示し、ここでは、HTRESモジュール401は、図39に示すMSID390と同様のMSID402へMDM(例えばマイクロD)コネクタを介して接続されている。図10Aは、MSIDモジュール402及びHTRESモジュール401を備える、本明細書に開示される完全に組み立てられたモジュール式電力システム400を示す。図10Bは、別個のHTRESモジュール401を示し、これは、ウルトラキャパシタストリング(例えば、最大で100個までのウルトラキャパシタセルを備える)と、マルチピンコネクタ403を介して相互接続するMSIDモジュール402とを示し、マルチピンコネクタ403はMDMスタイルのコネクタ(例えばマイクロD)であってもよい。このように、様々なシステム回路を備えるMSIDモジュール402は、HTRESモジュール401と通信し、制御し、モニタリングし、またHTRESモジュール401から電力を転送することができる。 b.MSIDシステム回路 所定の実施形態において、本明細書に開示された装置及びシステムは、電力システムの構成要素として構成されたMSIDを備える。一例において、MSIDは様々な回路を備えてもよい。非限定的な例示は、接続回路、少なくとも1つのセンサ回路、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、切り換え回路、充電状態回路、及び電子管理システム回路を含む。 1つの実施形態において、MSIDは、接続回路、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、切り換え回路、充電状態回路、及び電子管理システム回路を備える。 1つの実施形態において、MSIDはモジュール式回路基板をさらに備える。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形である。別の実施形態において、モジュール式回路基板はスタックされている。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形であり、かつスタックされている。 所定の実施形態において、電源は、ワイヤーライン電源、バッテリー、又は発電機の少なくとも1つを備える。 所定の実施形態において、電源は少なくとも1つのバッテリーを備える。この実施形態において、MSIDは、特に電源がバッテリー以上のものを備える場合、クロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態では、MSIDは充電状態回路基板をさらに備える。 所定の実施形態において、電源はワイヤーラインと、少なくとも1つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーとを備える。この実施形態において、MSIDは、クロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態では、MSIDは充電状態回路をさらに備える。 所定の実施形態において、電源は発電機を備える。 所定の実施形態において、電源は、発電機と、少なくとも1つのバッテリー、例えばバックアップバッテリーとを備える。この実施形態において、MSIDは、クロスオーバー回路をさらに備えてもよい。特定の実施形態では、MSIDは、充電状態回路をさらに備える。 所定の実施形態において、多機能の回路基板を提供するために、複数の回路基板が組み合わせられてもよい。 所定の実施形態において、MSIDは電力変換器を備える。別の実施形態において、上記電力変換器はスイッチドモード電力変換器である。いくつかの実施形態において、上記電力変換器はフィードバック制御によって調整される。電力変換器の例は、インダクタに基づく変換器を含み、例えば、バック型、昇圧型、降昇圧型、cuk型、フォワード型、フライバック型、又は変形物などを含むとともに、スイッチドキャパシタ型などのインダクタレス型変換器を含む。 スイッチドモード電力変換の使用によって、本発明の電力システムは、概して、60%を超える効率、例えば70%を超え、例えば80%を超え、例えば90%を超え、例えば95%を超える効率 を達成する。 調整された電力変換器の使用によって、本発明の電力システムは、電圧、電流、及び/又は電力の調整された態様を行う。電力変換器の使用によって、本発明の電力システムは、電力、電圧、及び/又は電流の変換を行う。 i.ウルトラキャパシタ充電器回路(UCC) 所定の実施形態において、MSIDは電力変換器を備える。別の実施形態において、電力変換器はウルトラキャパシタ充電器回路(ultracapacitor charger circuit:「UCC」)である。UCCの機能は、HTRES、例えば1〜100個のウルトラキャパシタセルを備えるウルトラキャパシタストリングの充電及び放電を制御することにある。UCCは、例えば摂氏75度を超える高温動作、例えば摂氏125度を越え、例えば摂氏150度を越える高温動作と、調整可能な充電電流制御と、キャパシタバンクのための電圧保護の冗長性と、広い入力/出力電圧範囲とを特徴とする。所定の実施形態において、UCCは、当該技術分野で既知である、負荷遷移中の出力電圧において右半平面(RHP)がゼロであることの影響を緩和するために、電流モード調整を用いる集積回路(「IC」)を有するコントローラを備える。この点で、UCCは最適範囲の動作を提供し、これにより、変換器は、校正されたデューティ比で充電して全体的な損失を最小化し、例えば、バス電圧は最適化されている。 所定の実施形態において、UCCはスイッチモード電力変換を使用し、ここで、少ないウルトラキャパシタ充電のとき、ICはより効率的な、すなわち損失が少ない電流モード制御を使用し、続いて、ウルトラキャパシタ電荷貯蔵がより大きなレベルになったとき電圧制御モードに切り換え、そのような切り換えにより、結果としてウルトラキャパシタのより効率的な充電をもたらす。 所定の実施形態において、MSIDは、例えば、エネルギー源から連続的かつ定常的な電流を引き出すことが望ましいか、又は特定のパルスプロファイルが最良である用途では、入力電流の波形整形を行う。特定の実施形態では、そのような電流の波形整形は、カソードのフリーズオーバー(freezeover)の影響又は不動態化の影響のような、バッテリー中の望ましくない電気化学的影響を防ぐ。 所定の実施形態において、例えば、エネルギー源から連続的かつ定常的な電流が引き出されることが望ましい用途では、MSIDは入力電流平滑化を行う。特定の実施形態では、そのような電流の平滑化は、直列抵抗において伝導損失を低減させる。 UCCが定電圧モードで動作している所定の実施形態において、UCCは、キャパシタストリング切断の場合に定電圧を供給することができる。例えば、UCCは、より低いレベルで、負荷への電力源として動作し続けることができる。 1つの実施形態において、UCCコントローラはディジタル的に実装される。そのようなシステムの利点は、構成要素の削減及びプログラム可能性を含む。所定の実施形態において、スイッチネットワークの制御は、マイクロコントローラ/マイクロプロセッサによって行われる。 1つの実施形態において、調整可能な電流は、コントローラICがディジタル的に通信しないとき、コントローラICが解釈するアナログ電圧を生成する監視装置及び低域通過フィルタによって生成されたパルス幅変調(PWM)制御信号により、ディジタル的に確立されてもよい。コントローラICは、出力電流、例えばウルトラキャパシタ充電電流を調整するように構成される。充電電流の制御を通じて、UCCは、例えば、ICのオンオフ制御によって電圧が電圧バンド内に維持されるヒステリシス制御によって、ウルトラキャパシタにおける電圧を調整することができる。 UCCは所定の実施形態において、ディジタル制御されてもよい。別の実施形態において、UCCは電子回路管理システム(EMS)によってディジタル制御されている。別の実施形態において、UCCは、エネルギーを節約するためにスリープモードに入ることができ、この態様はディジタル制御によって提供されてもよい。 UCCコントローラはアナログ方式で実装されてもよい。そのような構成において、フィードバック制御は、概して、演算増幅器、抵抗器、及びキャパシタのような構成要素を用いて実行されるだろう。有効であるものの、この構成の小さな欠点は、充電電流及び出力電圧を制御する柔軟性を本質的に欠いていることにある。 所定の実施形態において、UCCは、本明細書に開示されたシステム回路のうちの任意のもののような、接続回路、EMS回路、クロスオーバー回路、及び/又は1つ又は複数のエネルギー源(バッテリー、発電機、又はワイヤーラインなど)に対してモジュール式バススタッカによって電気的に接続され、さらに、それらと通信するようにプログラミングされたコントローラICを備える。UCCは、さらに、電圧サンプリングのための抵抗ネットワーク、ステップダウン電力セクション(例えばバック変換器)、ステップアップ電力セクション(例えば昇圧コンバータ)電流モード制御に必要なインダクタ電流検出抵抗、及び/又は充電電流を調整するために必要な充電電流検出抵抗 を備えてもよい。 所定の実施形態において、ウルトラキャパシタを充電するための電力変換器はヒステリシス制御される。例えば、充電電流は変換器及びフィードバック制御回路によって調整される。ウルトラキャパシタの電圧は、電力変換器又は監視装置などによって測定される。例えば、ウルトラキャパシタにおける電圧が所定のしきい値に達したとき、電力変換器はディセーブルされてもよい。代替として、電圧が所定のしきい値に達したとき、充電電流は低減されてもよい。このように、様々な利点が実現されてもよい。まず、電圧設定点及びヒステリシスバンドは、フィードバック制御回路の再設計、例えば安定性及び動力学に関してはさもないと必要になる可能性がある再設計なしで、ファームウェア又はソフトウェアにおいて、すなわちディジタル的に設定されてもよい。したがって、出力電圧は、ユーザ又はコントローラによって、例えば動作時に、容易に調節される。第2に、ウルトラキャパシタの充電効率の改善は、概して、充電電流を制限又は調整することによって行われ、また、多くの負荷が、適切に動作する範囲内に電圧があると期待するのに対して、充電電流を調整するためのフィードバック制御を有するコントローラは、負荷を適切に動作させる範囲内にあるように選択された電圧を生じさせるように使用されてもよい。 ii.クロスオーバー(XO)回路 所定の実施形態において、クロスオーバー回路は、複数の電源の使用を可能にするために、接続回路基板によって電気的に接続されて制御されるスタッカを介してモジュール式アーキテクチャへシームレスに追加することができる周辺回路基板である。UCCに加えて、クロスオーバー(cross over:「XO」)回路は自律的能力を所有する。 1つの実施形態において、クロスオーバー回路は、1つの電源からもう1つの電源に初期電源が消耗された後で切り換えるように、あらかじめプログラミングされていることが可能である。 もう1つの実施形態において、クロスオーバー回路は、2つの電源をともに並列化し、負荷に配送することができる電力を増大するか、又は、個々の、ほとんど消耗された電源がそれだけでは負荷を駆動するのに充分な電力を配送できない場合には、個々の電源のまさに最後の残るエネルギーを抽出する能力を有する。 クロスオーバー回路は、所定の実施形態において、電子回路管理システム(EMS)によってディジタル制御されてもよく、エネルギーを節約するためにスリープモードに入ることができる。 クロスオーバー回路は監視装置を備えてもよく、所定の実施形態では、モジュール式バススタッカによって、回路の監視装置を介して、接続回路、EMS回路、充電状態回路、及び/又は1つ又は複数エネルギー源(バッテリー、発電機、又はウルトラキャパシタストリングなど)に電気的に接続され、また、これらの回路と通信するようにプログラミングされる。クロスオーバー回路はさらに、電流検出抵抗;電圧サンプリングのための抵抗ネットワーク;充電状態測定のための電流検出抵抗;バス電圧が一次電源にブートストラップされることを可能にする一方向性の一次切断であって、ブートストラップ動作中の消散を低減するためのp−チャネルMOSFETと並列な低順方向電圧のダイオードを介して最初に電力は処理され、いったん電圧がバスで確立されると、抵抗−ダイオードネットワーク及びn−チャネルMOSFETによってオンされてもよくなる(p−チャネルMOSFETがエンハンスされる)一次切断;二次電源からバスへの電力を処理する双方向性の二次切断であって、一次切断とは異なり、二次電源をバスから完全に切断することができる二次切断;p−チャネルMOSFETのゲートにバイアスをかけるための抵抗−ダイオードネットワークであって、低電圧切断動作(分圧抵抗)と、高電圧切断動作(ゲート電圧を安全な動作電圧へクランプするダイオード)とを可能にするようなサイズを有するネットワーク;及び/又は、制御信号が存在しないときにn−チャネルMOSFETがオフされることを保証する出血抵抗を備えてもよい。 iii.充電状態(SoC)回路 所定の実施形態において、SoC回路は、与えられたエネルギー源の残り及び/又は使用済の容量の推定値を供給するように動作する。この回路は測定された電流、温度、電流プロファイルの時間領域の形状を組み合わせることができ、また、与えられたエネルギー源の残りランタイムを決定するためのモデルを生成することができる。 電流の測定は、エネルギー源、特にバッテリーのサービス時間の決定において重要なファクターである。そのため、所定の実施形態において、電流はトランスコンダクタンス増幅器として動作する既製のICを用いて測定されてもよい。所定の実施形態において、電流はホール効果センサ/磁力計、誘導のセンサ、磁気センサ、又はハイサイドもしくはローサイドの電流検出抵抗を用いて測定されてもよい。 温度は測温抵抗体(RTD)、大きな温度係数を有する抵抗、温度依存の抵抗を用いて測定されてもよい。抵抗は、マイクロコントローラの出力ピンに接続された分圧抵抗を用いることで読み取られる。測定が行われるとき、分圧抵抗は5Vまで引き上げられる。分圧抵抗をオン及びオフすることは、電力を節約し、抵抗における自己発熱を低減させる。温度を測定する他の方法は、バイメタル接合(すなわち熱電対)、又は既知の温度係数トランジスタに基づく回路を有する他の装置、又は赤外線検出装置を使用することを含む。 これらの測定値は、与えられたエネルギー源の所定時間にわたる挙動について記述する与えられたモデルへの入力として使用することができる。例えば、バッテリー電流における大きな変動は、リチウム塩化チオニルバッテリーの定格容量を低減することが示された。このバッテリー化学について、電流プロファイルについての知識は、バッテリーの残り容量を決定する際に有用だろう。 充電状態回路は監視装置を備えてもよく、所定の実施形態では、モジュール式バススタッカによって、回路の監視装置を介して、接続回路、EMS回路、クロスオーバー回路、及び/又は1つ又は複数エネルギー源(バッテリー又はウルトラキャパシタストリングなど)に電気的に接続され、また、これらの回路と通信するようにプログラミングされる。充電状態回路は、さらに、プルアップ抵抗;監視装置及び他のディジタル電子回路のための適切な電圧を確立するために使用される電圧レギュレータ;電流検出回路;一方向性負荷切断であって、p−チャネルMOSFETはプルダウンn−チャネルMOSFETへの制御信号を介してエンハンスされ、分圧抵抗比は低い電圧レベルでp−チャネルMOSFETに適切なバイアスをかけさせるように選択され、一方、ツェナーダイオードはMOSFETにわたる最大ソース−ゲート電圧をクランプするように動作するもの;及び/又は、及び/又は、アナログ電圧を読み取りのために必要な分圧抵抗ネットワーク及びADCバッファキャップで実装された外部通信バスを備えてもよい。 iv.ウルトラキャパシタ管理システム(UMS)回路 所定の実施形態において、MSIDはウルトラキャパシタ管理システム(ultracapacitor management system:UMS)回路を備える。ウルトラキャパシタ管理システム回路は、動作の全体にわたって個々のセル健全性を保持する主目的を有する。UMS回路は、個々のセル電圧を測定してもよく、又は、ストリング及びそれらの充電/放電レート内のセルの部分集合の電圧を測定してもよい。UMS回路監視装置は、最適化アルゴリズム及びデータログに含められる、電子回路管理システム(EMS)回路に伝達されてもよいセル健全性を決定するために、 これらのパラメータを使用する。 さらに、所定の実施形態において、UMS回路はセルのバランス処理及びバイパス処理を担当する。セルのバランス処理は、ウルトラキャパシタが動作中に過充電されたり損傷を受けたりすることを防ぐ。セルのバイパス処理は、個々のセルのまわりで充電及び放電電流を迂回させる。従って、セルのバイパス処理は、セルが激しい損傷を受けたり、又は異常に高い等価直列抵抗(ESR)を示している場合に、効率的な動作を保つために使用される。 UMS回路は、頻繁なセル電圧測定と、充電電流についてEMSと通信することとにより、個々のセル健全性を決定できる。セル健全性情報は、モジュール式通信バス上で、例えばモジュール式バススタッカを介して、EMS回路に中継されてもよい。その後、セル健全性情報は、システムの挙動を変更するために、EMS回路によって使用することができる。例えば、EMS回路が、高い出力キャパシタ電圧に調整することにより、負荷への大きな出力電力をサポートしている場合を考える。しかしながら、1つ又は複数のウルトラキャパシタが損傷を受けたことをUMS回路が報告した場合、EMSは、それらのウルトラキャパシタをより低い出力電圧へ調整することを選択することができる。より低い出力電圧は出力電力能力を低下させるが、ウルトラキャパシタの健全性を保つことを支援する。 そのため、1つの実施形態において、UMS回路は、それぞれの、及びウルトラキャパシタストリングセルの健全性をモニタリングしながら、セル電圧レベルを独立に制御するための便利な方法を提供する。 所定の実施形態において、図33に示すように、UMS回路の監視装置は、内部回路通信バスを介してUMSコアに通信してもよい。この例において、データ及びコマンド信号は、UMSコア及び監視装置の間で内部通信バスを介して転送される。監視装置は、各ウルトラキャパシタセルの電圧を測定するようにUMSコアを制御する。各ウルトラキャパシタセルは、複数のウルトラキャパシタセルのバンクであってもよい。充電状態に依存して、監視装置は、各セルのバランスを保つコマンドをUMSコアに送る。特定の実施形態では、セル健全性を最適化し、かつ、バランス処理の間に発生してもよい熱上昇を最小化するように、バランス時間及び周波数が監視装置を介して制御される。セル健全性は、監視装置によってモニタリングされ、監視装置によってモジュール式バスを介してEMS回路に伝達されてもよい。さらに、所定の実施形態において、外部装置、例えばMOSFETを使用することにより、監視装置は、与えられたセルをバイパスすると決定することができる。 UMSコアは、個々のセルの電圧の測定を可能にする回路を有する。さらに、UMSコアは、セル電圧を低減するために、個々のセルから電荷を除去することができる。1つの実施形態において、UMSコアは、抵抗のような受動素子を介して過剰なエネルギーを消散させることで、個々のセルのバランスを保つ。もう1つの実施形態において、電荷を、高電圧を有する1つのセルから除去し、低電圧を有する他のセルへ転送することができる。充電の転送は、過剰な電荷を貯蔵してリリースするための外部のキャパシタ又はインダクタの使用を通じて達成することができる。 所定の実施形態において、セルのバランス処理及びモニタリングが連続的に、すなわち常に行われる必要はないので、UMS回路は小電力のスリープ状態に入ってもよい。例えば、EMS回路は、モジュール式通信バスを介してUMS回路を以下のように制御してもよい。(1)使用中でないとき、UMS回路が動作の小電力消費モードに進むことができ、(2)呼び出されたとき、EMS回路はUMS監視装置を介してセルモニタリング及びバランス処理を開始することができる。 所定の実施形態において、モジュール式バスは、通信バス上における、UMS回路監視装置、EMS回路、及び他の監視装置ノードの間の双方向通信を可能にする。図33に示すように、UMS回路監視装置への電力は、モジュール式バスを介して供給されてもよい。 所定の用途において、回路のバランスを保つことは、セル電圧が設定電圧を超過するとき、自動的にセルのバランスを保ってもよい。この挙動は、ウルトラキャパシタストリング電圧へのリアルタイム調整を行う能力を提供する。UMS回路は、モジュール式バス上で通信し、これにより、セルバランス動作をリアルタイムで更新することを可能にするように構成されてもよい。さらに、モジュール式バス上の通信は、UMS回路の外部にデータを格納することを可能にする。このモジュール性により、UMS回路は広範囲の用途を有することが可能になる。 所定の実施形態において、監視装置及びモジュール式バスは、UMS回路への大規模な修正を必要とせずに、記録分解能及び寿命のような、ウルトラキャパシタ及びシステムの要件を変化させることを可能にする。 所定の実施形態において、セル健全性情報は、UMS回路上にローカルに格納するか、又は、モジュール式バスを介して送信した後でEMSによって格納することができる。セル情報は、ウルトラキャパシタのバンクが使用後に交代される必要があるか否か、又は、サービスが個々のセルにサービスが必要であるか否かを決定する際に有用になりうる。 所定の実施形態において、セルが高電圧を経験するとき、UMS回路は、そのセルをより低い電圧に放電することができる。セルをより低い電圧へ放電することによって、セルの寿命は改善される。ストリング全体にわたってバランスのとれたセル電圧を保つことにより、キャパシタストリングの寿命を改善して最適化する。 ある場合には、セルを放電することは、周囲の電子回路を破損する可能性がある過剰な熱を生成する。さらに、多くの場合、セルの損傷又は過剰な熱損失を防ぐために、セルからの放電電流を制御することが有利である。そのため、所定の実施形態において、UMS回路は、広く分離された回路面積にわたって放電電流を分配することにより、放電電流プロファイルを制御することができ、これにより、改善された熱管理及びセル健全性を可能にする。例えば、放電イベントによって生じた熱は、多くの場合、UMS回路の1つのセクションに局所化される。複数セルのバランスを保つ必要がある場合、温度上昇を低減するために、UMS回路における隣接した場所において温度上昇を引き起こすセルのバランスを保たないことが有利である。従って、UMS回路は、UMS回路におけるそれらの空間的場所に基づいて、どのセルのバランスを保つかを選択することで、温度上昇を管理する。これらの機能は監視装置によって管理されてもよく、さらに、EMS及び/又は上述のものの組み合わせによって管理されてもよい。 所定の実施形態において、UMS回路は、放電時間を制御することで、バランスを保っているときの温度上昇を管理する。例えば、所望のセル電圧に達するまでウルトラキャパシタを常に放電することに代わって、監視装置は、周期的に充電を開始及び停止することを選択する。放電イベント間のデューティサイクルを増大することによって、セル放電電流によって引き起こされた温度上昇を緩和することができる。 所定の実施形態において、損傷を受けたセルは周囲のセルに比較して、減少した容量を示す可能性がある。この場合、セルはより高い充電及び放電レートを示すだろう。正常なバランス動作は、この場合にセルへのいかなる損傷も緩和するだろう。同様に、所定の実施形態において、セルは増大した漏れ電流を示す可能性があり、これにより、セル電圧は常に低下し続ける。あるセルにおける減少した電圧は、他のセルがより高い平均電圧を保持することを必要とするだろう。再び、正常なバランス動作は、この場合にセルへの損傷を緩和するだろう。 所定の実施形態において、セルは、それが非常に高いESRを示し、キャパシタストリング全体の電力取り扱いを劣化させるという点で、損傷を受ける可能性がある。これらの場合において、典型的なバランス動作は課題を解決しないだろう。この重大時には、UMS回路は、与えられた任意のセルをバイパスすることを選択できる。セルをバイパスすることは、充電及び放電電流をバイパスする外部ダイオードのような非線形デバイスを介して達成されてもよく、これにより、他のすべてのセルは、より高い平均電圧を貯蔵しなければならなくなる。しかしながら、ストリングの電力取り扱い能力が保持される。 直列又は並列直列で接続された複数のバッテリー及び/又はウルトラキャパシタが存在する所定の実施形態において、個々のセルの充電状態をモニタリングし、バランスを保つことの両方が重要である。UMS回路は、効率、システム健全性、及び熱管理を改善するための追加の機能を含む一方、ウルトラキャパシタのストリングをモニタリングしてバランスを保つために必要な回路を備える。 所定の実施形態におけるUMS回路は監視装置を備え、モジュール式バススタッカによって、接続回路、EMS回路、充電状態回路、クロスオーバー回路、又はMSIDにおける他の回路、及び/又は1つ又は複数のエネルギー源(バッテリー、ワイヤーライン又は発電機など)と電気的に接続され、また、これらと通信するようにプログラミングされている。UMS回路は、UMSの機能を行うための集積回路(「IC」)又はコントローラと、トランジスタ又はダイオードのようなスイッチ装置と、及び様々な付属構成要素とを備えてもよい。ICは既製のモノリシック制御ICから選択されてもよい。 v.電子回路管理システム(EMS)回路 所定の実施形態において、MSIDは電子回路管理システム(Electronics Management System:「EMS」)回路を備える。EMS回路は、以下のものの1つ又は複数が可能である多機能装置である:システム性能及び環境条件のデータを収集して記録すること;他の回路を管理すること;及び、プログラミング及びデータ伝送のために外部システムに通信すること。 所定の実施形態において、EMS回路ハードウェアは周囲のハードウェアにタイトに統合され、これにより、システム全体の挙動の制御及びモニタリングを可能にする。ハードウェアは、インテリジェントにシステム性能を最適化するために、外界センサを用いて、また、マイクロプロセッサ間の通信を用いて、他の複数のマイクロコントローラの動作を管理するインテリジェントなファームウェアによって補われてもよい。その効果は、極めて用途が広く有能なシステムであって、環境及び要件における変化にリアルタイムで適合することができるものである。 所定の実施形態において、EMS回路は、システム性能及び環境条件のデータを収集して記録する。EMS回路は、例えばEMS回路監視装置を介して、外界センサから直接に、及び他の回路からモジュール式バス上の通信を通じて、センサデータを記録することを担当する。このデータは、システム性能を最適化のために評価することに使用されてもよい。概して、著しいイベントは後の評価のために記録されてもよい。 所定の実施形態において、EMS回路は、最適なシステム性能のために周囲の回路を管理する。例えば、EMS回路はUCC充電電流を制御してもよい。充電電流は、センサによって、及び回路との通信によって、システム全体にわたって集められたデータに基づいて選択されてもよい。EMS回路は、可能な場合に電力を節約するために、様々な回路部品を小電力のスリープ状態に入れることができる。 所定の実施形態において、EMS回路は、プログラミング及び/又はデータ伝送のために外部システムに通信する。EMS回路における外部通信バスは、外部のハードウェア及びソフトウェアへの通信を可能にする。この接続は、システムに配置されている間にEMS回路を再プログラミングすることを可能にする。その後、EMSは他の監視装置を再プログラミングするか、又は、他の監視装置をそれらの動作について指示し、これにより、システム全体を有効に再プログラミングすることができる。内部メモリから外部ソフトウェアにデータログを送信するために、外部通信バスが使用される。このように、データは、動作中に収集され、動作後に外部機器、例えば外部PCにより分析されることが可能である。 1つの実施形態において、電子回路管理システム(EMS)回路は、利用可能な監視装置及びセンサから情報を収集し、それに依存してシステム挙動を制御するように動作する。EMSは、PCソフトウェア又はファームウェアプログラマのような、外部電子回路へのインターフェースを提供する。外部通信バスを介して、EMS回路コア、例えばEMS回路監視装置をプログラミングし、従って、EMS回路に接続された他のすべての監視装置をプログラミングすることが可能である。 図34に示すEMS回路コアは、1つ又は複数のディジタル回路、例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、又はフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)装置)から構成されてもよい。所定の実施形態において、EMS回路コアは、図34に示すように、ウルトラキャパシタストリングを外部負荷に接続又は切断させる負荷接続/切断回路に接続されている。所定の実施形態において、図34に示すように、EMS回路コアは、様々なセンサアレイに接続されていてもよい。例えば、キャパシタストリング電圧が特定の負荷にとって低すぎるか高すぎる場合、キャパシタストリングは負荷から切断されてもよい。正常なランタイム動作中に、負荷は、負荷ドライバ回路を介してウルトラキャパシタに接続されている。 所定の実施形態において、EMS回路は、他の監視装置とのインターフェースをもたない追加のセンサに接続されている。これらのセンサは、温度センサ、負荷電流センサ、入力バッテリー電流センサ、入力電圧センサ、及びキャパシタストリング電圧センサから成るグループの1つ又は複数を含んでもよい。 モジュール式バスを介して、EMS回路は、例えば図34に示すようにモジュール式バスを介して、他の回路に接続されてもよい。通信バスは、データ線、クロック線、及びイネーブル線を備えてもよい。いくつかの実施形態において、図34に示すように、監視装置は、データ線、クロック線、及びイネーブル線へのインターフェースを有する。さらに、各監視装置は識別アドレスで規定されることが可能である。 1つの実施形態において、図34に示す内部通信バス上で通信するために、EMS回路は、図35に示すアルゴリズムを実行する。図35に示すように、EMS回路は、イネーブルラインを起動し、ターゲットの監視装置の識別アドレスをデータ及びクロックライン上で送信し、その後で、所望のデータコマンド命令を送信する。イネーブルラインが起動されたのを監視装置が検出したとき、各監視装置はその規定された識別アドレスをリッスンする。監視装置は、その識別アドレスを読み取ったとき、EMS回路メッセージをリッスンし続け、それに従って応答する。このように、通信は、EMS回路監視装置及びすべての他の監視装置との間で達成される。 所定の実施形態において、EMS回路は、UCC充電電流を制御するために、UCCとのインターフェースをとる。充電電流は、出力ウルトラキャパシタ電圧を調整するように制御される。電子回路、ウルトラキャパシタ、及び入力バッテリースタックの安全かつ効率的な動作を保証するために、フィードバック制御及び/又はヒューリスティックな技術が 使用される。 所定の実施形態において、EMS回路は、バッテリー接続状態を記録し、かつ潜在的に制御するために、クロスオーバー回路とインターフェースをとる。クロスオーバー回路及びクロスオーバーイベントの状態は、EMS及び内部/外部メモリを介して記録されてもよい。 所定の実施形態において、EMS回路は、セル健全性及び/又は放電イベントをモニタリングして記録するために、UMS回路とのインターフェースをとる。 所定の実施形態において、EMS回路は、電力消費量を減少させてランタイム挙動を最適化するために、監視装置を小電力状態にすることができる。 本明細書で説明するように、EMS回路は、種々様々のセンサへのとの間の通信を可能にする固有のハードウェア構造を有し、これにより、概して、1つ又は複数の性能パラメータ、例えば、効率、電力出力、バッテリー寿命、又はキャパシタ寿命を最適化するように作用するさまざまな利点をもたらす。 所定の実施形態におけるEMS回路は監視装置を備え、モジュール式バススタッカによって、回路の監視装置を介して、接続回路、UMS回路、充電状態回路、クロスオーバー回路、及び/又は1つ又は複数エネルギー源(バッテリー又はウルトラキャパシタストリングなど)と電気的に接続され、また、これらと通信するようにプログラミングされる。EMS回路は、少なくとも1つのディジタルコントローラ、例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、又はFPGA、及び様々な付属の構成要素を備えてもよい。 vi.負荷ドライバ回路 所定の実施形態において、MSIDは負荷ドライバ回路を備えてもよい。 電力システムが比較的高いエネルギー用途(例えば、基づいたソレノイド又はモータベースの泥パルサーを駆動するか、EM送信機、又は長期間のモータドライブ)のための電力を設けてもよいことを特徴とする本発明の実施形態については、MSIDは負荷ドライバ回路を備えてもよい。負荷ドライバ回路は、所定の実施形態中で、動作する規則の態様を設けてもよい電力変換器として例えば電力システムの出力の電圧制御もう一つの広く変動する電圧態様にもかかわらず。例えば、電源が断続的な場合、例えばそれは複数の分の間電力を提供し、次に、複数の分の間電力を提供するのを止める、電力システムは電源が電力を設けていない場合に、負荷への電力を提供するように要求されてもよい。この例示において、HTRESは、電源が電力を設けていない期間に電力の供給のための蓄積エネルギーを設けてもよい。HTRESがキャパシタ(例えばウルトラキャパシタ)である場合、上記HTRESの限られたエネルギー容量は電力システムが負荷への設ける電力である期間に上記HTRESの広く変動する電圧をもたらしてもよい。しかし、電源は電力を設けていない。負荷ドライバは、広く変動するHTRES電圧にもかかわらず調整された負荷電圧のために提供するこの例示において使用されてもよい。負荷ドライバは機能してもよいとして電力変換器その結果それ処理上記HTRESから取り出され、上記負荷に配送された電力それで、さらに、それはこの例示に、上記規則態様(すなわち調整された電力変換器)を組み込む、出力電圧は電力変換器を調整した。概して、規則態様は技術に既知のフィードバック調節技術によってイネーブルにされる。 所定の実施形態において、負荷ドライバ回路の中心にあるコントローラ集積回路(IC)は、モジュール式のバススタッカによって電気的に接続されるにまたMSIDの残りと通信するためにプログラミングされた。例えば、ある実施形態では、MSIDは、エネルギー貯蔵回路を制御してもよい。非限定的な例示は中継回線、少なくとも1つセンサ回線、ウルトラキャパシタ充電器回線、ウルトラキャパシタ管理システム回線、転換回線、充電回線の状態及び電子管理システム回線を含む。 1つの実施形態において、MSIDはモジュール式回路基板をさらに備える。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形である。別の実施形態において、モジュール式回路基板はスタックされている。別の実施形態において、モジュール式回路基板は円形であり、かつスタックされている。 ある態様では、製造することには、ハウジングのためのキャップ及びバッテリーの少なくとも一方を製造することが動力源含まれる発電機である。 所定の実施形態において、電源は2つの1バッテリーを備える。この実施形態中で、MSIDだろう別特に電源がバッテリー以上に備える場合、クロスオーバー回路を備える。1つの実施形態において、MSIDはモジュール式充電回路基板をさらに備える。 所定の実施形態において、電源はワイヤーライン及び少なくとも1つのバッテリー(例えばバックアップバッテリー)を備える。つの実施形態において、MSIDはモジュール式回路をさらに備える。所定の実施形態において、MSIDは状態を備える充電回路である。 所定の実施形態において、電源は発電機を備える。 所定の実施形態において、電源は発電機及び少なくとも1つのバッテリー(例えばバックアップバッテリー)を備える。つの実施形態において、MSIDはモジュール式回路をさらに備える。所定の実施形態において、MSIDは状態を備える充電回路。 所定の実施形態において、回路基板は多機能の回路基板を提供するために組み合わせられてもよい。 摂氏125度(例えば)を超える摂氏75度(例えば)を超える負荷ドライバ回路特徴高温動作、例えば摂氏150度、またキャパシタバンクのための電圧保護及び広い入力/出力電圧範囲に関して余分で、調整可能な充電の現在の制御のうちのどれもでも備えてもよい、また電圧モード規則である。 所定の実施形態において、負荷ドライバはキャパシタ(例えばウルトラキャパシタ)を充電する。これらの実施形態において、調整可能な電流は、コントローラICが、ICがディジタル的に通信しないコントローラとして解釈するアナログ電圧を生成するために監視装置及び低域通過フィルタによって作成された、パルス幅に変調された(PWM)制御信号にディジタル的に確立されてもよい。コントローラICは出力電流(例えばウルトラキャパシタ充電電流)を調整するように構成される。充電電流の制御を通じて、UCCが、ウルトラキャパシタにおける電圧を調整することができる、例えば電圧がICのオンオフの制御によって電圧バンド内に維持されることを特徴とするヒステリシスの制御による。 負荷ドライバ回路は所定の実施形態中で、ディジタル制御されているかもしれない。別の実施形態において、負荷ドライバ回路は電子回路管理システム(EMS)によってディジタル制御されている。別の実施形態において、負荷ドライバ回路は、エネルギーを蓄えるためにスリープモードを入力することができる。また、この態様はディジタル制御によって設けられてもよい。 負荷ドライバコントローラもアナログ方法で実装することができる。そのような構成において、フィードバック制御は、演算増幅器、抵抗器及びキャパシタのような構成要素の使用に概して実行されるだろう。実効である間に、この構成の小さな損失は、柔軟性制御充電電流及び出力電圧の固有の不足である。 所定の実施形態において、負荷ドライバ回線の中心にあるコントローラ集積回路(IC)は、モジュール式のバススタッカによって電気的に接続されるにまた中継回線、EMS回線、クロスオーバー回線及び/又は1つ又は複数エネルギー源(バッテリー、発電機又はワイヤーラインのような)と通信するためにプログラミングされた。負荷ドライバ回路は、さらに電圧サンプリング(電力セクション(例えばバックの変換器)を下った1ステップ)用の抵抗器ネットワークを備えてもよい、電力セクション(例えば昇圧コンバータ)の上の1ステップ、インダクタ現在現在のモード制御に必要な抵抗器、及び/又は充電を検出する現在充電電流の調整に必要な抵抗器を検出する。 1つの実施形態において、負荷ドライバ回路コントローラはディジタル的に実装される。そのようなシステムの利点は構成要素の低下及びプログラム可能性を含む。ある態様では、の工程には、実質的に不活性なにおいて実行される。 vii.増幅器回路 大電力レベルの処理は多くの場合非常に効率的なパワーエレクトロニクスを必要とする。パワーエレクトロニクスにおいて非能率は、電子回路及びウルトラキャパシタを破損する場合がある温度増加にもたらす。従って、ために処理の有意な電力、ハイレベル効率パワーエレクトロニクス多くの場合必要とされる。ハイレベル効率動作のために設計されるように、クラスDトポロジーは技術認識される。ハイレベル効率は達成される走行どちらかで出力トランジスタ1つの完全に向上された又は状態から。完全に向上されたとき、MOSFETは内部抵抗がないことを有する短絡と理想的に考えられる場合がある。この状態で、電力損にもたらさない出力トランジスタ上に電流が高くある。しかし、電圧降下がある。ではそれらの状態から、MOSFETは、電力損にもたらさずに、高電圧において理想的にすべての電流を阻止する。現在の実施形態において、MOSFETは理想と考えられない切り換える、しかし、もっと正確に言えば、電力損は適切に選択された切り換える周波数及び低い損失構成要素を介して緩和される。上述のものは、技術に認識されたスイッチモード動作に関連付けられた基本概念について本質的に記述する。切り換えられたモードの動作が増幅器に印加される場合、それらの増幅器は多くの場合クラスD増幅器と名付けられる。 所定の実施形態において、既存の解決方法に比較されたとき、クラスD増幅器は著しくより高い電力能力をイネーブルにする。 特定の実施形態において、増幅器は増幅器構成を切り換えるクラスDフルブリッジにおいて接続された6つの主成分を備える、すなわち、さらに両方クラスD増幅器として参照された: (1) 高電圧キャパシタレール; (2) 変調器; (3) デバイスドライバ; (4) セクションを切り換えること; (5) 信号の低域通過フィルタ; 及び、 (6) インピーダンスを装填する。 1.高電圧キャパシタレール 高電圧キャパシタレールは出力トランジスタに正のレール電圧を供給する。荷物への有意な電力を配送するために、高電圧キャパシタレールが重い荷物の下の電力損を最小限にして、低いインピーダンスを保持することは重要である。 2.変調器 変調器は、負荷に提供された信号を変調する機能を有する。変調器は、多数の方法で可能である。変調器は、量(例えば電力、電圧、電流、周波数、位相)の個数を変調してもよい。 電圧の調整する振幅のための例示開ループ方法負荷にもたらされた含んでいるパルス幅変調器回路への時間を変動する引用文献入力としての時間を変動するアナログ信号の提供、例えばコンパレータ2つの入力を有すること1つ前記引用文献である、他方三角形波信号である所望のの切り換える段階において振れること切り換える周波数、パルス幅変調器回路パルス幅の提供ゲートドライバ制御信号を変調した。時間をパルス幅変調器回路への基準電圧入力を変動することによって、ゲートドライバ制御信号のデューティレシオも変動される、上記制御信号の負荷サイクルは、負荷にもたらされた瞬間電圧を次いで制御してもよい。 負荷にもたらされた電圧の振幅を変調する例示閉ループ方法は、フィードバック制御回路(技術において既知の様々な方法によって負荷にもたらされた電圧を調整するように構成されたフィードバック制御回路)への時間を変動する引用文献入力として時間を変動するアナログ信号を提供することを含む。概して、フィードバック回路は、フィードバック信号の測定値態様を備える、誤差増幅器(動的な補償器)、むだ時間回路を備えてもよいパルス幅変調器(ゲートドライバ)。動的な補償器は、閉ループ安定性及び閉ループ力学の組み合わせを達成するように概して設計されている。 3.デバイスドライバ デバイスドライバは概して電流又は電圧増幅を提供する、電圧レベルシフト、装置保護及びいくつかの場合に適切にトランジスタ入力を駆動するためにむだ時間発電を示す。概して、デバイスドライバは低レベルの制御信号を装置を制御するのに適切な信号に変換する。例示装置はバイポーラの接合トランジスタ、MOSFET、JFET、最高の接合トランジスタ又は、MOSFET、シリコン制御整流器、絶縁ゲートバイポーラートランジスターなどを含む。ゲートドライバは、離散実施例、又は既製又はモノリシック集積回路として設けられてもよい。 4.スイッチングセクション 概して備える、切り換えるセクションは出力トランジスタを備える処理を切り換える負荷への変換された電力を提供する電力を入力する。トランジスタの2つのものがそうであるように、例示の切り換えるセクションは、フルブリッジ構成中で構成されるにおける所定の時間に。1つの状態で、2つのトランジスタはそうであるにおける、1つの方向に負荷を介して現在のフローを提供すること他の状態で、他の2つのトランジスタはそうであるにおける、反対方向での負荷を介して現在のフローを提供する。 5.フィルタリング トランジスタの各切り換えられる周波数引用文献信号の帯域幅上によく。正確に再作成するために1つの増幅されたバージョン管理する負荷上の引用文献信号の、低域通過フィルタは理想的に負荷を通して低周波引用文献信号のみを送信しておいて、信号を切り換える高周波をフィルタリングするために使用される。低域通過フィルタは損失を防ぐ反応性成分であるでしょう他のもの抵抗構成要素上に生じる。切り換えるセクション及び負荷の間にフィルタリングすることは、負荷への変調された信号中の周波数含有量所望のをわたすべきである。その間に、フィルタリングは、不要な周波数含有量を拒絶するために十分にバンド限定するべきである。 6.負荷 この発明において、負荷インピーダンスは、テレメトリ信号が送信されている媒体を表す。負荷インピーダンスは、信号が空間を通ってどのように伝搬するか決定するハイレベル順序ふるまいを一般に含んでいる。しかしながら、単純モデルは電力抵抗器によって表される。 増幅器を切り換えている間所定の実施形態に、出力信号中の切り換える人工品を導入してもよい、これらの人工品は適切に選択された切り換える周波数の使用を通じて最小限にされ、及び/又はフィルタリングして良く設計されている。特定の実施形態において、出力フィルタは、引用文献信号に含まれていた情報の保存ながら切り換える人工品を厳しく減衰させることで、信号純度を保存する。出力フィルタは、さらに非常に低い抵抗構成要素を有することを介して最小の電力損を寄与してもよい。 viii.センサレスモータ駆動回路 過酷な環境用途において、ブラシレスのDC(BLDC)のモータは例えば、掘削すること(MWD)ながら坑井内測定値に使用された泥パルサーを動作させるためにさまざまな用途のために利用された、すなわち供給する泥パルステレメトリ。しかしながら、従来のBLDCモータは、回転子ポジションセンサーにおける多くの場合含んでいて依存する。回転子ポジションセンサーの一般的な例はホール効果センサである。厳しい状態の下で、すなわち高温、ハイレベル衝撃及びハイレベル振動、例えば、摂氏70度を超える温度、20Gを超える、2つのGrms(すなわちルート平均平方加速)及び衝撃以上の連続的な振動、回転子ポジションセンサー及び特に、センサ付きモータのホール効果センサは信頼性制限をもたらすまた多くの場合破損される又は失敗する。これらの問題を扱うために、本発明は、3つの位相BLDC(すなわち「wye」)モータの電子交換の使用で、センサレスブラシレスのDC(BLDC)のモータ又は逆推進ロケットを付属品付きのセンサ付きBLDC(例えば作業又は失敗したセンサのいずれかを有する一つ)のいずれかを動作させてもよいセンサレスBLDCモータドライブを提供する。そこにおいてはBLDCモータドライブは逐次的交換アルゴリズムによるBLDCモータを動作させるように構成される。 さらに本明細書で説明した電力システムに本明細書に開示されたモータドライブの接続は、利点の個数をもたらすかもしれない。例えば、モータドライブに接続された大電力用途用の電力システムは泥パルサーをより激しく駆動するために使用されてもよい、それは電池寿命の保持ながら、及び信号の純度を損なうことなしで面への(例えばデータ転送速度の2倍まで)送信のためのより鋭い圧力パルス及び潜在的により高速なデータ転送速度に翻訳する、例えば、泥パルステレメトリの使用である。 構成は、坑井内ブラシレスDCモータドライブ中のホール効果センサの使用又は必要を除去する;ここで本明細書で説明したBLDCモータドライブは、坑井内環境中の信頼できるブラシレスDCモータの使用をイネーブルにする。さらに、従来のセンサ付き BLDCモータにおける存在する少なくとも5本の必要なワイヤ(5V、GND、H1、H2、H3)は除去することができ、それによって、信頼性を増大し、複雑さを低減させる。 本発明は、電源からへの電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、HTRES、例えば、空間で組織化されたウルトラキャパシタストリング効率的な向き本明細書で説明するように、オプションの負荷ドライバ回路、センサレスブラシレスDCモータ駆動回路、及び充電の少なくとも1つを制御し、エネルギー貯蔵装置を放電するためのコントローラ、システムはそこにおいてはの温度範囲中の動作に適合するか摂氏約210度に摂氏約75度の間に;及び、本発明のコントローラの所定の実施形態では、そこにおいては、負荷はブラシレスDCモータ(例えばセンサレスBLDCモータ)を備える。 従って、もう一つの実施形態中で、本発明はセンサレスブラシレスDCモータシステムに方向付けられる電源で構成されたHTRES、例えば、ウルトラキャパシタストリング、1−100個のウルトラキャパシタセルを備えてもよい、空間で組織化された効率的な向き本明細書で説明するように、オプションの負荷ドライバ回路、センサレスブラシレスDCモータ駆動回路、また充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、そこにおいてはシステムは温度範囲中の動作に適合する摂氏約75度の間でに摂氏約210度;及び、本発明のコントローラの所定の実施形態では、上記負荷はブラシレスDCモータを備える、 さらに、所定の実施形態において、センサレスブラシレスDCモータドライブは、フィルタリングされたモータ端子電圧を受信し、かつ、交換制御信号を発生するためにその出力が利用されるコンパレータを対で使用して、それらを比較するように構成される。例えば、コンパレータの正の入力が陰性入力未満の進む場合、コンパレータの出力は浸す入力が交換される場合、負の電源レール、及び正の電源レールに。回転子位置の状態は、コンパレータの出力の状態から決定することができる。 回転子の位置に基づいて、その位相がエネルギーを与えられるように、センサレスブラシレスDCモータ(例えば3つの位相モータ)が駆動されてもよい。電流がステータコイルを通過するとき、磁極は右手の親指規則に記載の極性に作成される。2つの位相が同時にエネルギーを与えられるとき、図36に示されるように、2つの位相中の現在に流れることは源に関して互いへの反対方向にある。ステータコイルによって形成された、エネルギーを与えられた柱は回転子柱を引きつける。また、回転子がそれらの柱に接近しているとき、対応するステータコイルの電源は切られてもよい。また、次のペアのコイルは回転子運動を作成するためにエネルギーを与えられる。コンパレータ出力は、不活性の位相の逆起電力によってルックアップテーブル中で現状を合い次に、次の状態に移るためにコントローラを引き起こす状態をやむを得ず(回転子が回転する場合、)変更する。 所定の実施形態中で、モータドライブの電源が入れられる場合、図37に示されるそのようなアルゴリズムはセンサレスBLDCモータドライブ中で既知の位置に回転することで回転子の状態を識別する。回転子が新規性を有する位置に近づくとき、コンパレータの出力が有効になるように、ステータ巻線に関する永久磁石の移動は、十分な逆起電力を発生する。有効なコンパレータ出力を有して、システムは有効な交換制御信号を有し、従って、交換タイミング及び次の活動するステップの両方を決定することができる。この時点から、センサレスBLDCは、表12のような格納されたルックアップテーブルでは、センサレス動作(それによってコントローラは次の状態を調べることができる)を例えば以下で継続することができる。次の活動する状態が希望の回転方向(時計回りに又は反時計回りに)に依存することに注意してください。性能は、モータ駆動の電源が入れられた直後に、交換信号が利用可能になるという点でセンサ付き方法用のそれに匹敵する。これは、逆起電力を検出することができる場合に速度に達するために同時のモードにおけるモータを実行する、新進の手順の必要をなくす。
従って、1つの実施形態において、本発明は、コンパレータにおいて制御信号を発生する、センサレスBLDCモータ駆動調整回路、回転子、ステータコイル、及び方法のステップは励磁の1組の既知の状態のうちの1つへの回転子を整列させるために回転子を回転させることを備えることを特徴とするステータコイルの3つのコンパレータ出力を備えるセンサレスブラシレスのDC(BLDC)のモータ(例えば3つの位相BLDCモータ)を動作させる方法を提供する出力する;2つのコンパレータ出力のみが同時にエネルギーを与えられるように、ステータコイルを介して反対方向で指図された2つの位相を作成して、電流を流すこと;交換タイミング、及び励磁の既知の状態に記載の次に活動するステップの両方を決定する有効な交換制御信号を発生することを十分な逆起電力を検出すること;また励磁の既知の状態による上記次の活動するステップを行うこと。それは回転子運動が一方向に生成されるほどのものである。 所定の実施形態において、励磁の既知の状態は比較によって決定されるに1つの予め定義された標準的メモリに格納された、例えば、センサレスBLDCモータ駆動調整回路に接続されて、ローカルに又は遠隔に電気的に。所定の実施形態において、励磁の既知の状態は表12に提供された通りである。 所定の実施形態において、回転子は以下のものにエネルギーを与える方式を使用して、1つの方向に移動される:ステップ1:第1の出力コンパレータ(A)は正にされる。第3の出力コンパレータ(C)は駆動された陰性である。また、第2の出力コンパレータ(B)は駆動されない;ステップ2:第1の出力コンパレータ(A)は正にされる。第2の出力コンパレータ(B)は駆動された陰性である。また、第3の出力コンパレータ(C)は駆動されない;ステップ3:第3の出力コンパレータ(C)は正にされる。第2の出力コンパレータ(B)は駆動された陰性である。また、第1の出力コンパレータ(A)は駆動されない;ステップ4:第3の出力コンパレータ(C)は正にされる。第1の出力コンパレータ(A)は駆動された陰性である。また、第2の出力コンパレータ(B)は駆動されない;ステップ5:第2の出力コンパレータ(B)は正にされる。第1の出力コンパレータ(A)は駆動された陰性である。また、第3の出力コンパレータ(C)は駆動されない;ステップ6:第2の出力コンパレータ(B)は正にされる。第3の出力コンパレータ(C)は駆動された陰性である。また、第1の出力コンパレータ(A)は駆動されない。 もう一つの実施形態において、本発明は、センサレスBLDCモータ駆動調整回路、回転子、ステータコイル及びステータコイルの3つのコンパレータ出力を備えるセンサレスブラシレスのDC(BLDC)のモータ(例えば3つの位相BLDCモータ)を動作させることを備える方法を行うためにプロセッサによって実行のためにその上に格納された命令を有する機械可読媒体を備えるセンサレスブラシレスのDC(BLDC)モータ駆動回路を提供する。そこにおいては方法のステップは、aのうちの1つへの回転子を整列させるために回転子を回転させることを備える励磁(それはコンパレータ出力において制御信号を発生する)の既知の状態の集合;2つのコンパレータ出力のみが同時にエネルギーを与えられるように、ステータコイルを介して反対方向で指図された2つの位相を作成して、電流を流すこと;交換タイミング、及び励磁の既知の状態に記載の次に活動するステップの両方を決定する有効な交換制御信号を発生することを十分な逆起電力を検出すること;また励磁の既知の状態による上記次の活動するステップを行うこと。それは回転子運動が一方向に生成されるほどのものである。 センサ付きBLDCとは対照的に自動車で行くまた他のセンサレス動作方法、低い速度及び操業開始において性能を損なった、センサレスBLDCモータ、として本発明のBLDCモータ駆動は始動した、同じトルクの余裕があるさえ操業開始及び回転子において速度を拾い上げるほとんど直ちにである。 BLDCが自動車で運ぶセンサ付き及び他のセンサレス動作方法とは対照的に、センサレスBLDCモータの双方向回転は、本発明のBLDCモータ駆動が始動したとき、即時である;どれがそれをMWDツールのように適切にするか。そこでは、プレッシャーバルブの開閉は必要である。 本発明、どれがのみ3つのコンパレータしか利用しないかは供給する実施例のより大きな容易さについては、製造、及び従来のセンサ付きモータに対する便利さは現在使用で駆動する。 センサレスブラシレス・モータ駆動、また、関連付けられたモータは、自動推進で、自動化を含み、これらに限定されずに、BLDCモータが使用されているすべての用途では使用されてもよい、器具、医学で、航空宇宙及び軍事の用途。 6.装置及びシステムの製造 a.HTRESモジュール 本明細書に開示された装置及びシステムの所定の実施形態はHTRESモジュール及びMSIDを備える。HTRESモジュールは本明細書で説明したさまざまなHTRESで構成されてもよい、例えば、セクション4に上述である。上述したものとして、所定の実施形態において、HTRESは少なくとも1つのウルトラキャパシタを備える。本明細書に開示されたシステム及び装置の例示的なHTRESモジュールにおいて、図29に示されるように、2つ以上のウルトラキャパシタはウルトラキャパシタストリングでは構成される。図29は、空間の効率的な向きでは組織化された2つ以上のウルトラキャパシタセルを備えて、本明細書に開示された所定の実施形態によるウルトラキャパシタストリングを描く。このHTRESモジュールは1−100個のウルトラキャパシタセルを備えてもよい。本明細書に開示されたHTRESモジュールは、ウルトラキャパシタパック(例えば図30に示される構成)では構成されて、本明細書に開示されたウルトラキャパシタを備えてもよい。そこにおいてはウルトラキャパシタアセンブリ(例えば図29に示すとして1つ又は複数ウルトラキャパシタストリング)は、ハウジングのより小さな長さに使用されることをより多くのセルのために可能にする。さらに、それは、電線が適当な場所にそれらを固定することをポッティングすることの余地にパックの面に沿って安全に動作するべき余地を残す。 図30に例示された所定の実施形態において、本明細書に開示されたシステム及び装置は、ウルトラキャパシタの3つのストランドパックアセンブリを備える、例えば、それは1つを溶接するために次にセルのより小さなグループ中の両方セルを溶接するほうが簡単であるので、システムを組み立てることをより簡単にするセルの長いストランド。所定の実施形態において、本明細書で説明した絶縁体技術は、短絡失敗に対する防衛手段を提供し、システムをその構造物において剛体にしておく。特に実施形態、ポッティングは平衡を保ちシステムワイヤを適当な場所に固定し、不要な失敗から保護する、例えば、より多くのセルが同じサイズ内径ハウジングチューブ(例えば、Dサイズを有するフォームファクタからAAへ行って)、だが著しくより短いハウジングチューブにおいてここでは適当になりえるので、それは有益である。 1つの実施形態において、本発明は、本発明のシステムでは使用される直列中のウルトラキャパシタの接続で準備されたウルトラキャパシタストリングを提供する。所定の実施形態において、セル(例えば12以上)は、テープ、熱シュリンク、洗濯機、ポッティングする合成物及び/又はスペーサーに絶縁されてもよい。 1つの実施形態において、セルフォームファクタは、3がセルの等しい個数の座礁させるAA(〜0.53”の直径で」)であるキャパシタセクションの長さを最小限にするために使用される。もう一つの実施形態において、Dセル(〜1.25”の直径で」)は使用されるが、1つにおいて接続されている3つのより短いストランドの代わりに長いストランド。絶縁体及びアセンブリはわずかに異なるフォームファクタのために異なる。 所定の実施形態において、ウルトラキャパシタアセンブリは、さらにワイヤ及びシステムワイヤの平衡を保つキャパシタを含んでもよい。AAパックは、平衡を保つワイヤが各セルに安全に配線され、ポッティングすること及び熱シュリンクで保護されることを可能にする。所定の実施形態において、ワイヤの平衡を保って、各ストランドの近くで熱シュリンクは供給されているまた座礁させる、及び/又はセルの3つのストランドの全パック。所定の実施形態において、その後、ポッティングは、熱シュリンクの内部のセルの各パック、及びセル間で使用されてもよい。特に実施形態、平衡を保つワイヤは中間に位置してもよい空間は離れるAAの座礁させるまたポッティングではカプセル化される。特定の実施形態では、空間に沿って実行されたシステムワイヤキャパシタを間に離れる座礁させて、キャパシタパックの最も外側の直径を増大しない。 所定の実施形態において、各セルは保護の異なる層に絶縁される。所定の実施形態において、Kaptonテープのような高温絶縁体テープの層は、ガラス−金属シールを有する各セルの上に配置されてもよい。したがって、ピンのみ(ポジティブターミナル)が感光する。所定の実施形態において、もう1個の高温絶縁体テープで金属容器の上部面エッジが包まれ、第1のテープを保持するために金属容器の上部顔の上に折り返されてもよい。特定の実施形態において、金属容器としての同じODを有する高温スペーサーディスク(テフロンのような)は、ガラス−金属シールピンのまわりで位置してもよい。したがって、ピンのみが感光する。特定の実施形態では、彼直列において接続された場合、金属容器が強調されたときに金属を被せるべきガラス上にではなくスペーサーを下へ押すように、ディスクはピンの上部高さ以上着座する。 所定の実施形態では、図29に示されるように、ニッケル又は同様のタブ202を使用して、直列においてキャパシタは接続されているかもしれない。所定の実施形態において、タブは、各キャパシタのポジティブターミナル(通常ガラス−金属シールピン)に溶接されてもよい(抵抗又はレーザ)。いくつかの場合には実施形態、上記タブは上記スペーサーディスクの中心に。タブは、どこのポジティブターミナル及び負端子にそれが溶接されるかを除いて高温テープ又は高温熱シュリンクに絶縁されてもよいできる(次に)。タブはスペーサーディスク203にわたる実行された平面で、次に、底に溶接されるかもしれないできる(次に)(負端子)。所定の実施形態において、その後、ものができるように、タブは折り返されるスペーサーに着座している次また同じラインにある。Dサイズを有するセルについては、すべてであるまで、これは継続される1つにおいて両方に溶接されるストリング。AAセルに向かって、図30に示されるように、3あるセルの同じ個数に座礁させるでは各例えば、12個のセルが1つのシステムに必要とされれば、4の3つのストランドが両方に溶接されるだろう。特定の実施形態において、各ストランドを両方に溶接した後に、それらは熱であるセルを安定させるために縮んだ及びセキュリティが確保された絶縁体及びタブである。 所定の実施形態において、ワイヤの平衡を保つセルは、各セルにおける1個の熱シュリンクを除去し金属容器の面に平衡を保つワイヤを溶接することで取り付けられてもよい。所定の実施形態では、平衡を保つワイヤを溶接した後、セキュリティが確保されて、支援し、かつ金属容器へのワイヤを保護するために、細長い熱シュリンク管材料は接合点のまわりで置かれる。平衡を保つワイヤは、それぞれに取り付けられてもよいできるその結果金属容器の同じ面に沿ったそれらのすべての実行。特定の実施形態において、テープは適所にセルのストランドの同じ面におけるすべてのワイヤを維持するために溶接及び熱シュリンクの追加の層を使用したことができる後適所にワイヤを保持するために使用される。この実施形態において、付加利益は3つを置くことに起因する座礁させる平衡を保つワイヤが異なるストランドのセル間の余分な空間を中間に実行することができ、パック直径を増大しないという点で両方である。 所定の実施形態において、セルの3つのストランドは直列にそれらをすべてに保存するために組み立てられる。例えば、12個のAAセルを使用するとき、4個のセル各にの3つのストランドがあるだろう。1つのストランドは、電子装置に接続するポジティブターミナルを有するだろう。ストランド1の負のタブがストランドのポジティブターミナルに接続する最終2つ、すべてのセルが接続されたように、ストランド1つの反対方向で、及び同じにどれがだろうかは、ストランド3に出かけるだろう陰性に正。平衡を保つワイヤのすべてで、所定の実施形態ではそれらがすべてに同じに現われるように、接続されているアセンブリをより簡単にするキャパシタパックの端。溶接後両方すべての3は、熱シュリンクの最終層が慣れていてもよいセルの座礁させるすべてのセルを1つにおいて両方にしておく剛体。中間に各セルストランド、に加えてわずかにの上にパックの上部で、及び下部、ポッティングは別の保護に慣れていてもよいセルである。 決勝戦シュリンクの外部におけるそこにシステムワイヤの個数である端から端へ実行されたそれ。AAアセンブリ方法を使用する所定の実施形態において、ワイヤは、パックの直径を増大せずに、中間にキャパシタの空間を実行する多くの余地を有する。システムワイヤはポジティブターミナル又は負端子コネクタのどちらかから実行されてもよい。ワイヤ(システム及び釣り合いの両方)はセルパックの側の突き合わせ継ぎ手の使用で接続されてもよい。又は、すべてはウルトラキャパシタパックの近くで着座するもう一つの回路基板に実行することができる。 所定の実施形態において、ウルトラキャパシタ中の超過空間を限定するために、ガラス−金属シールを、180度弾くことができる。したがって、ピンは内部の代わりに金属容器の外部である。ウルトラキャパシタにおいてこの超過空間の低下はキャパシタの内部で必要とされる電解質の量を限定するために動作する。図31A及び31Bは示すどのように超過離れるより厚いハウジングを有する面が内部ではなくセルの外部における存在するように、ガラス−金属シールを弾くことで限定してもよい。そのような戦略は任意のサイズにおける使用されてもよいできる金属容器では使用されているカバーより厚い物体ハウジングを有する任意のガラス−金属シールである。 b.本発明のシステムのハウジング いったん、MSIDを備える回路を含む様々なモジュール式の構成要素、及び任意のHTRES(例えば本発明のウルトラキャパシタ)も組み立てられた(すなわち、相互接続された)、これらはハウジング内にインストールされてもよい/配置されてもよい。例えば、アセンブリは、図39又は図10に示されたことのようなハウジングに挿入されてもよい。いくつかの実施形態において、電気的干渉及びその他同種のものの予防に加えて本発明の機械的に頑健なシステムを保証するために、カプセルの材料はハウジングへつがれるかもしれない。概して、カプセルの材料は、ハウジング内のすべての空間を充填する。 所定の実施形態において、ハウジングサイズはMSID(例えばMSIDの直径)をあてはめるために選択されている。そのため、外部の直径の次元はMSIDの回路基板直径によって影響を受けてもよい。 ある実施形態では、この住宅供給は、例えば電子回路モジュールであってもよい。 所定の実施形態において、ハウジングはMSID及びHTRES(例えば本発明(例えば本発明のウルトラキャパシタストリング)のウルトラキャパシタ)を含んでいる。 所定の実施形態において、住宅供給は15ピンコネクタ封じ込めチャネルを備える。所定の実施形態において、15本のピンコネクタ封じ込めチャネルは備える1つの「すべてのポケットを通って」、又は1つのミクロのDのコネクタの退場において共同のワイヤの応力集中を低減させる、広い旋回半径を提供するためにハウジング設計のキャップアセンブリで切り取られた。このように、鋭いエッジ及び壁とのワイヤ接点は限定し、ワイヤ損傷のリスクを減らす。 所定の実施形態において、ハウジングは、15本のピンコネクタ封じ込めチャネルへのMSIDの同心で分離された装備の余裕がある。 所定の実施形態において、ハウジングは、MSID及びキャパシタがハウジングから独立して組み立てられることを可能にする開いたワイヤ封じ込めチャネルを備える。それは、著しくシステムのmanufacturabilityを増大する。開いたワイヤ封じ込めチャネルは15のピンミクロのDコネクタを増大して、適所に低下に備える。特定の実施形態において、開いたワイヤ封じ込めチャネルの先細りの入口は、エッジ及びチャネル壁とワイヤとの接点を限定する。 所定の実施形態において、住宅供給は電力変換器を備えるケーシングカバー。所定の実施形態において、着脱可能な薄い囲まれたハウジングシャーシはカバーする提供するワイヤがシャーシ内のMSID構造物の側にルーティングされるべき妨げられていない経路のために。特定の実施形態において、ハウジング挿入物の放射状の突出部は、着脱可能な薄い囲まれたカバーのための増大する顔を提供する。 所定の実施形態、MSIDのアセンブリ及び任意のHTRESではだろう別電子回路モジュール(例えばMSID)及びHTRESモジュール(例えばキャパシタモジュール)の間の着脱可能なインターフェースとして37のピンコネクタを備える。この着脱可能なインターフェースは、システムの固有のモジュラリティーを作成する。 所定の実施形態において、37のピンコネクタは、MSID及びHTRES(例えば本明細書で説明したウルトラキャパシタストリング)を含んでいる別個のハウジング間の着脱可能なハウジングインタフェースで配置されてもよい。これは、電子回路モジュール及びキャパシタモジュールのシームレスで反復可能な接続分離に備える。所定の実施形態において、37のピン接続(例えばミクロのD)は軸方向にマウントされ、適当な場所にコネクタを固定するのに必要な放射状のフットプリントを低減させる。所定の実施形態において、別個のハウジングインタフェースの2重の開いたワイヤチャネルは、37のピンミクロのDコネクタからワイヤの2つの集合のルーティングを収容する。1又はハウジングインタフェースの2つの面に「すべてのポケットを通って」提供する開いたチャネルの中へのコネクタからワイヤ用の広い旋回半径のためである。 そのため、本発明の1つの実施形態において、ハウジングはモジュール式で、別々に(1)MSIDを含むために3つの構成要素ハウジングシステムを備える、例えば、MSIDハウジングでは、(2)HTRES、例えば、ウルトラキャパシタは本明細書で説明して、一続きになる、例えば、HTRESハウジング及び(3)2つのものの間の(例えば配線インタフェースハウジングでは)接続配線では。所定の実施形態において、ハウジングシステムの各構成要素は、MSID、HTRES又は配線を別々に含んでいるそれ自身のハウジングアセンブリへ分離されてもよい、例えば、それでは各ハウジング構成要素は、他のハウジングアセンブリと接続するように設計されている。所定の実施形態において、MSID及び別のHTRESの間の接続配線はコネクタ(例えば37のピンコネクタ)を備える。所定の実施形態において、別個の配線インターフェースはハウジングにモジュラリティーを与える。それは、便利さを増大し、製造の容易さを改善し、生産原価及び/又はメンテナンスを下げるために動作してもよい。所定の実施形態において、システムは電力システムである。所定の実施形態において、システムはデータシステムである。 所定の実施形態では、高温化学的抵抗するOリング、例えば、ヴァイトンOリング、セキュリティが確保された装備及び湿ることを設けるシステムハウジングに樽に詰める圧力から振動の送信を低減させる。特定の実施形態において、Oリングは、15及び37のピンコネクタハウジングの基部に位置する、例えば、また供給する圧力樽の内のシステムハウジングの同心の装備のためである。 i.集電体 所定の実施形態において、別のハウジング容器は、エネルギー貯蔵装置、及びコントローラ(「ポッティング」のようにさらに既知のそのような処理)をカプセル化するカプセルの材料を備える。特定の実施形態において、MSID及び/又はHTRESは、高温環境中の振動及び衝撃からの保護用のカプセルの材料に浸されてもよい。 従って、本明細書で説明した電力及びデータシステムは「鉢植えかもしれないし」、又はその後、カプセルの材料に充填されるハウジングに挿入されてもよい。とりわけ、カプセルの材料は、電気的及び環境上の妨害から保護に加えて機械的な衝撃の湿らすことに備える。1つの実施形態において、ハウジングは、カプセルの材料としてSYLGARDR 170シリコンエラストマー(ミッドランド、ミシガンのダウコーニングから利用可能)に充填される。 カプセルの材料の実施形態は例えば、絶食療法シリコンエラストマー(例えばSYLGARD 170)(ミッドランド・ミシガンのダウコーニングから利用可能)を含んでもよい。それは、摂氏約200度に直り、100kHzの2.9、ミルv/ミル当たり530ボルトの絶縁耐力及び100Hzの0.005において消費要因において誘電率及び摂氏約マイナスの45度の温度範囲前に低い粘度を公開する。他のカプセルの材料を用いてよい。カプセルの材料は、電気的な特性、温度範囲、粘度、困難などによれば、例えば選択されてもよい。 ii.内部バリアー 封止材料(例えばコントローラはハウジングにおいて鉢植えのシリコンエラストマーゲル)では、膨張ボイド(例えば少なくとも1つ膨張ボイド)の十分な個数を提供することで、所定の実施形態では、例えば、本明細書で説明した高度なポッティング方法を使用して、回路基板の変形は高温において低減させられる。 所定の実施形態において、ポッティング方法を進めた本発明の(例えば製造処理で)システムを準備するために利用されてもよい。 高度なポッティング方法は挿入される着脱可能な挿入物の使用を組み込むことを備える、例えばハウジングシャーシ壁においてスロットによる半径方向。挿入物はポッティング処理の間にハイレベルシリコンエラストマー体積領域(例えば、基板間で集中させられた)において配置される。いったん、シャーシ内のシリコーンは直った、挿入物は、挿入物に等しい体積の空気ボイドを残すスロットを通って抽出される。 本明細書に提供された高度なポッティング方法は合成物をポッティングするシリコンエラストマーの熱膨張に起因して回路基板変形を低減させるか除去するために動作する。シリコンエラストマーは特に高い熱膨張率を有する。また、その結果、ハイレベル温度条件中に、高い応力集中は塑性変形を引き起こす回路基板における発展する。 高度なポッティング処理は、コントローラ(例えばMSID構造物)に沿った様々なハイレベル体積領域において、空気ボイド(例えば少なくとも1つ空気ボイド)を作成する。ハイレベル温度条件中に、これらの空気ボイドは、拡大するシリコンエラストマー用の拡張経路を提供する。その結果、応力集中は、回路基板から遠ざけて引かれる。回路基板における応力集中において低下は、さらに表面のマウント構成要素のハンダ継ぎ目に対する応力を減らす。 さらに、この処理は、坑井内状態で見つかったもののような坑井内高温にさらされた任意の鉢植えの回路に有用かもしれない、そこにおいてはポッティングする材料をカプセル化する高温である。 MSID−・ベースの坑井・装置および方法 本発明は、MSIDと、上記MSIDを収容してツールストリングの中へ配置するように構成されたハウジング構造物とを実施形態をする。所定の実施形態において、本明細書に開示されるように、別の装置及びシステムはHTRESを備える、及びツールストリング(それは所定の実施形態中のHTRESモジュールかもしれない)の中への配置用のHTRESを収容するように構成されたハウジング構造物。 システムは電力システムであることを特徴とするもう一つの実施形態において、システムは、本発明のMSIDを備える;HTRES(例えば本明細書で説明したウルトラキャパシタ);またMSID及びHTRESが両方ともツールストリングの中への配置をしたい気持ちであるハウジング構造物である。 概して、電力システムは、本明細書で説明するように、電源の電気的な態様の分離するの余裕がある電気的、例えば電圧、電流、負荷の電気的な態様から瞬間の電力である。 本1は本発明、MSIDと、上記MSIDを収容してカラーの上又はカラーの中に装着するように構成されたハウジング構造物とを実施形態をする。 ある実施形態において、モジュール式信号インターフェース装置は、の及び/又は報告を行うことができる。 1つの実施形態において、本発明は、電源から電力を受信するのに適合し、データ伐採のために構成されたコントローラを備えるデータシステム(例えば、坑井内環境に適合した)、及び/又は報告を提供する;データを受信する(例えばさらに解釈する)ように構成された1つ又は複数のセンサ回路と上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される もう一つの実施形態において、本発明は、電源から電力を受信するのに適合し、最適化の掘削のために構成されたコントローラを備えるデータシステム(例えば、坑井内環境に適合した)を提供する;データを受信する(例えばさらに解釈する)ように構成された1つ又は複数のセンサ回路と上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される 1つの実施形態において、本発明は、電源から電力を受信するのに適合し、ビット(TOB)におけるトルクを決定するように構成されたコントローラを備えるデータシステム(例えば、坑井内環境に適合した)を提供する;データを受信する(例えばさらに解釈する)ように構成された1つ又は複数のセンサ回路と上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される 1つの実施形態において、本発明は、電源から電力を受信するのに適合し、ビット(WOB)における重量を決定するように構成されたコントローラを備えるデータシステム(例えば、坑井内環境に適合した)を提供する;データを受信する(例えばさらに解釈する)ように構成された1つ又は複数のセンサ回路と上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 1つの実施形態において、本発明は、電源から電力を受信するのに適合し、温度センサ(例えば抵抗の変更によって温度を示す抵抗測温体(RTD))によって温度を決定するように構成されたコントローラを備えるデータシステム(例えば、坑井内環境に適合した)を提供する;データを受信する(例えばさらに解釈する)ように構成された1つ又は複数のセンサ回路と上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 所定の実施形態において、複数のデータシステムはそれらがドリルストリング又はツールストリングの長さに沿って変動するときに、坑井内状態(例えば振動、複数面積において衝撃)を分析するために使用されてもよい。特定の実施形態において、そのような空間の測定値は有用かもしれないのために、置き、センサによって任意の課題の源の区別を検出させて、とりわけ。特に実施形態、各で、本明細書で説明した上記に複数データシステムから受信されたデータを組織化するために識別を割り当てられてもよいか取り組んでもよいデータバスにおける、及び各に上記識別と協力するその情報を送信してもよいか取り組んでもよい及び/又は上記識別から、又は上記識別を有するMSIDに所定の時間又は周波数を割り当てるスケジュールに記載の資料依頼書に応じる。 本発明120〜232のうちのいずれかに記載のデータシステムを使用することを含む、掘削動力学の効率を改善する方法。所定の実施形態において、方法は、ツールストリング及び/又はカラー中の異なる場所において配置されて、本明細書で説明した複数のデータシステムを使用することを備える。 所定の実施形態において、データ伐採用のコントローラ及び/又は報告はデータ伐採のために構成されたMSID及び/又は報告である。 データは、衝撃、振動、ビット上荷重(weight on bit:WOB)、ビット上トルク(torque on bit:TOB)、アニュラー圧力及び温度、及び/又は坑サイズから選択される。 所定の実施形態において、データ伐採用のコントローラの構成及び/又は報告は、モニタリング、伐採及びシステム健全性の通信ができるためにコントローラを構成することを備える、例えば、リアルタイムで坑井内情報を通信すること、例えば供給するリアルタイムモニタリング、衝撃、振動、スティックスリップ及び温度の通信である。 所定の実施形態では、温度範囲中の動作のための適応摂氏約210度に摂氏約75度の間に高温(例えばシリコンエラストマーゲル)においてモジュール式の回路の変形を低減させる材料を有するコントローラをカプセル化することを備える。特定の実施形態において、システムは温度範囲中の動作に適合する膨張ボイドの供給する十分な個数による摂氏約75度から摂氏約210度の間で、例えば、少なくとも1つ膨張ボイド、封止材料ではではコントローラは鉢植えであるハウジング、例えば、高度なポッティング方法の使用本明細書で説明した。 所定の実施形態において、データ伐採及び/又は報告する別のシステムは電気的に接続されたデータ記憶を備える、例えば、ローカルに又は遠隔である。 もう一つの実施形態において、本発明は、本発明の任意のデータシステムへの電源を電気的に接続することを備えるデータ伐採及び/又は報告(例えば坑井内環境では)方法を提供する。それはデータ伐採及び/又は報告がイネーブルにされるほどのものである。 ウルトラキャパシタの製造方法であって、電源から電力を受けるように適合し、データ記録及び/又は報告を行うように構成されたコントローラと、データを受信する(例えばさらに解釈する)ように構成された1つ又は複数のセンサ回路と及び、上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される及び、本明細書で説明したデータシステムのように、上記コントローラ及びセンサ回路をハウジングに組み込むことである。 所定の実施形態において、蓄え電源は2つのを。この実施形態では、データシステムはさらにHTRESを備えてもよい、例えば、少なくとも1つウルトラキャパシタ本明細書で説明したまた充電の制御少なくとも1つのための第2のコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、第2のコントローラ備える少なくとも1つのモジュール式の回路断続的にデータコントローラ及びセンサ回路への電力を供給するように構成された電源から電力が検出されない場合;上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 1つの実施形態において、データインタフェースシステムは表15に以下で提供された性能特性の1つ又は複数を示すように構成される。明瞭さについては、平板状の列挙は単独で便宜向けである。また、各特性は本発明の別個の実施形態と考えられるに違いない。
所定の実施形態において、MSIDは電力システムとして構成されてもよい。 所定の実施形態において、MSIDは電力システムとして、及びデータ伐採のために構成され及び/又は報告しているかもしれない。 MSIDが電力システムとして構成されることを特徴とするMSIDの構成において、円形の回路基板で構成された追加のモジュール式の回路はシステムへの追加の機能を提供するために付け加えられてもよい。そのような追加の回路はモジュール式のバスを結合して、追加のスタッカを介して追加されてもよい。そこにおいてはハウジングはMSIDのサイズにおいて任意の増加も収容するように構成される。さらに、これらの追加の回路は、MSIDのモジュール式の特性に起因して、追加の複雑を追加しないにスタックされた円形の回路基板の追加すること以外のMSIDの製造時、また容易に損傷なしに機能のサービス又は除去のためにMSIDの残りに移されてもよい。 本明細書で説明した所定の実施形態において、本発明のシステムはHTRESを含んでもよい。エネルギー貯蔵装置は、坑井内条件で実用的である任意のタイプの技術を含んでもよい。ある実施形態において、HTRESは、摂氏75度を超える温度における動作のために構成され、例えば、摂氏約75度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約85度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約95度から摂氏約100度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約75度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約110度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約120度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約130度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約140度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約150度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約160度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約170度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度、例えば、摂氏約175度から摂氏約210度までの温度範囲内にある温度における動作のために構成される。 所定の実施形態において本発明、HTRESは、図3〜図9及び図11〜図28を参照して下記に述べられる少なくとも1つのウルトラキャパシタを含む。 HTRESの追加の実施形態は、以下に限定するわけではないが、化学バッテリー、アルミニウム電解キャパシタ、タンタルキャパシタ、セラミック及び金属フィルムキャパシタ、ハイブリッドキャパシタ、磁気エネルギー貯蔵装置、例えば、空気コア又は高温コア材料のインダクタを含む。適切でありうる他のタイプのものは、例えば、フライホイール、バネシステム、バネ質量システム、質点システムなどの力学的エネルギー貯蔵装置、熱容量システム(例えば、高い熱容量の液体又は固体又は相変化材料に基づいくもの)、油圧又は空気圧システムを含む。一例は、米国ロードアイランド州プロビデンスのエヴァンスキャパシタカンパニー(Evans Capacitor Company)から入手可能な高温ハイブリッドキャパシタであり、例えば、最大で摂氏125度までの定格温度を有する部品番号HC2D060122 DSCC10004−16である。もう一つの例は、米国ロードアイランド州プロビデンスのエヴァンスキャパシタカンパニーから入手可能である、例えば、最大で摂氏200度までの定格温度を有する部品番号HC2D050152HTの高温タンタルキャパシタである。さらにもう1つの例は、ドイツ国ミュンヘンEPCOS AGから入手可能である、例えば、最大で摂氏150度までの温度定格を有する部品番号B41691A8107Qのアルミニウム電解キャパシタである。さらにもう1つの例示は、日本国大阪府のパナソニック株式会社から入手可能である、例えば、最大で摂氏150度までの温度定格を有する部品番号ETQ−P5M470YFM、又は、米国カリフォルニア州フラートンのBIテクノロジーズ(BI Technologies)から入手可能である、例えば、最大で摂氏185度までの温度定格を有する部品番号HM70−602R0LFの高温インダクタである。追加の実施形態は、フランス国バニョレのサフトS.A.(Saft S.A.)から入手可能である、例えば、30回の充放電サイクルで最大で摂氏125度までの温度定格を有する部品番号Li−ion VL 32600−125のバッテリーを含む。最大で摂氏約250度までの温度定格を有するもう一つの例示的なリチウムイオンバッテリは、米国マサチューセッツ州ウォルサムのソリッドエネルギーシステムズコーポレイション(SolidEnergy Systems Corp.)で実験フェーズにあり、特許文献1に記載され、これの全体は参照によって本明細書に組み込まれる。 本発明の電力システム、それは備える1つの本明細書で説明したMSIDは、源によって負荷に供給された電力のためのバッファリングするとして動作するのに有用である。このバッファリングシステムは、典型的には負荷への電源の直接の接続を使用する既存のシステムに対する多数の利点を備える。そのような利点は、効率、パワー出力、バッテリー寿命又はHTRES(例えばウルトラキャパシタ)寿命の1つ又は複数性能パラメータを最適化する能力を含む。 本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、HTRES、例えば、少なくとも1つウルトラキャパシタ本明細書で説明したまた充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、コントローラ備える少なくとも1つのモジュール式の回路30%を超えてによる縮小するバッテリー消費のために構成された、例えば、35%を超えて、例えば、40%を超えて、例えば、45%を超えて、例えば、50%を超えて(例えば電力システムを有するバッテリー消費に対する);上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、HTRES(例えば本明細書で説明した少なくとも1つウルトラキャパシタ)、及び充電の少なくとも1つを制御し、エネルギー貯蔵装置を放電するためのコントローラ、少なくとも1つを備えるコントローラバッテリー動作時間(すなわち電池寿命、又は運用上の時間)を50%を超えて(例えば60%を超えて)増大するために(例えば80%(例えば)を超える70%を超えて)構成されたモジュール式の回路、例えば、100%(例えば)(例えば電力システムを有するバッテリー消費に対する)を超える90%を超えて;上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、HTRES(例えば本明細書で説明した少なくとも1つウルトラキャパシタ)、及び充電の少なくとも1つを制御し、エネルギー貯蔵装置(経営効率を95%(例えば)を超える90%を超えてに増大するために、モジュール式の回路が構成した少なくとも1つを備えるコントローラ)を放電するためのコントローラ;上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される。 本発明は、電池動力源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、ウルトラキャパシタは、HTRES、例えば、少なくとも1つウルトラキャパシタ本明細書で説明したまた充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、コントローラ備える少なくとも1つのモジュール式の回路バッテリーを横切った、バッテリー及び一定の出力電圧から定電流を引くように構成された放電する;上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合されるさらに、バッテリー放電を横切った一定の出力電圧を有するバッテリーから定電流引分けの管理は与えられたバッテリーの必要のために最適化することでバッテリー消費率を減少させるために動作する。 本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、ウルトラキャパシタは、HTRES、例えば、少なくとも1つウルトラキャパシタ本明細書で説明したまた充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、コントローラ備える少なくとも1つのモジュール式の回路電源及び出力HTRES電圧から入力電流(例えば、範囲のことから2A約に10A約)を制御するように構成された;上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合されるある実施形態において、電圧は、トリヘキシルテトラデシルホスホニウムトリフルオロメチルスルフォニルである。特定の実施形態において、負荷は変動してもよい。また、必要な電圧はさらに従って変動するだろう。変化する電圧を含む所定の実施形態において、電力システムは採用するように構成される最適現在のものを低減させる安定した最も低い電圧電源(例えばバッテリー)に近づく、そこにおいては、電圧は、2Vプラスまたはマイナス内側は安定しているままである、例えば、の内にプラスまたはマイナス1V。重要なことには、電圧安定性が電池寿命に加えて負荷の長寿を増大することは公知である。上記安定最低電圧は約0Vから約10Vまでの範囲を有する記載の電力システム。約20Vに対して約10Vから;約30Vに対して約20Vから;約40Vに対して約30Vから;約50Vに対して約40Vから;約60Vに対して約50Vから;又は約60Vから約100Vである。 本発明は、電源から負荷への電力をバッファリングすることに適合した電力システムを提供し、HTRES、例えば、少なくとも1つウルトラキャパシタ本明細書で説明したまた充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、コントローラ備える少なくとも1つのモジュール式の回路電源及び出力HTRES電圧から入力電力(例えば、約0Wから約100Wに範囲で)を制御するように構成された;上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される所定の実施形態において、電圧は負荷に基づいて選択される。特定の実施形態において、負荷は変動してもよい。また、必要な電圧はさらに従って変動するだろう。変化する電圧を含む所定の実施形態において、電力システムは採用するように構成される最適電力を低減させる安定した最も低い電圧電源(例えばバッテリー)に近づく、そこにおいては、電圧は、2Vプラスまたはマイナス内側は安定しているままである、例えば、の内にプラスまたはマイナス1V。重要なことには、電圧安定性が電池寿命に加えて負荷の長寿を増大することは公知である。上記安定最低電圧は約0Vから約10Vまでの範囲を有する記載の電力システム。約20Vに対して約10Vから;約30Vに対して約20Vから;約40Vに対して約30Vから;約50Vに対して約40Vから;約60Vに対して約50Vから;又は約60Vから約100Vである。 もう一つの実施形態中で、本発明は、バッファリングのための方法を提供する電源から負荷までの電力、例えば、坑井内環境中で、電気的に備えること本発明の任意の電力システムへの電源の接続、また負荷への電気的に接続する上記電力システム、そのようなもの電力は電源から負荷にバッファされる。 ウルトラキャパシタの製造方法であって、HTRESの選択、例えば、少なくとも1つウルトラキャパシタ本明細書で説明したまた充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、コントローラ備える少なくとも1つのモジュール式の回路電源から負荷までの電力のバッファリングを制御するように構成された;本明細書で説明した電力システムのように、上記HTRES及びコントローラをハウジングに組み込むことである。 本発明の電力及び/又はデータシステムの所定の実施形態では、電力システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間で、例えば摂氏約80度から摂氏約210度の間で、例えば摂氏約90度から摂氏約210度の間で、例えば摂氏約100度から摂氏約210度の間で、例えば摂氏約110度から摂氏約210度の間で、例えば摂氏約120度から摂氏約210度の間で、例えば摂氏約125度から摂氏約210度の間で、例えば摂氏約130度から摂氏約210度の間で、例えば摂氏約140度から摂氏約210度の間で、例えば摂氏約150度から摂氏210度の間で、例えば摂氏約160度から摂氏約210度の間で、例えば摂氏約175度から摂氏約210度の間での温度範囲で動作するように適合される。本発明の電力システムの所定の実施形態では、電力システムは、摂氏約75度から摂氏約150度までの間で、例えば摂氏約100度から摂氏約150度の間で、例えば摂氏約125度から摂氏約150度の間での温度範囲で動作するように適合される。 電力の所定の実施形態及び/又は本発明のデータシステムにおいて、別の電力システムはハウジング(例えば本明細書で説明した高度なモジュール式のハウジング)を備える。それではコントローラ(例えば本発明のMSID)及び任意のHTRES(例えば本発明のウルトラキャパシタストリング)も、例えば配置される。そこにおいてはハウジングはツールストリング中の配置に適している。 特に実施形態、コントローラは、高温(例えばシリコンエラストマーゲル)においてモジュール式の回路の変形を低減させる材料にカプセル化される。 特定の実施形態において、システムは温度範囲中の動作に適合する膨張ボイドの供給する十分な個数による摂氏約75度から摂氏約210度の間で、例えば、少なくとも1つ膨張ボイド、封止材料中でではコントローラは鉢植えであるハウジング、例えば、高度なポッティング方法の使用本明細書で説明した 本発明の電力システムの所定の実施形態では、 所定の実施形態において、MSIDは接続回路基板を備える、例えば、そこにおいては上記接続回路基板は外部コンピュータ/ネットワークと通信するのに適合する。 所定の実施形態において、MSIDはクロスオーバー回路基板を備える。 所定の実施形態において、MSIDはウルトラキャパシタ充電器回路を備える。 所定の実施形態において、MSIDはウルトラキャパシタ管理システム回路を備える。 所定の実施形態において、MSIDは電力変換器を備える管理システム回路。 所定の実施形態において、MSIDはウルトラキャパシタ充電器回路を備える。 上記MSIDは、電源、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、及び電子管理システム回路に電気的に接続された接続回路基板の任意の組み合わせを備える。 電力の所定の実施形態及び/又は本発明のデータシステムにおいて、電源はワイヤーライン電源及び1つのバッテリー(例えばバックアップバッテリー)を備える。 上記電力システムは、電子回路、変圧器、増幅器、サーボ、プロセッサ、データ保存、ポンプ、モータ、センサ、熱的に調整可能なセンサ、光学センサ、トランスデューサ、光ファイバー、光源、シンチレータ、パルサー、油圧アクチュエータ、アンテナ、単一チャネルアナライザ、マルチチャネルアナライザ、放射線検出器、加速度計、及び磁力計のうちの少なくとも1つを備える負荷に本発明をするようにれる。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、コントローラ回路も断続的な電力パルスを提供するように構成されてもよい、例えば、約50W及び100Wの間である。 本発明の電力システムの追加の利点は各に高度に機能的システムであるリチウムなしで作られてもよい。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、 上記電力システムは、坑井内ツールストリング及び関連付けられた電子回路への電圧安定性をもたらす、 そのような電圧安定性は、それが寿命を改善する安定したミクロのグリッドを電圧に与える電圧変動に敏感な上記電子回路である。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、 電力システムはリアルタイムで坑井内情報を通信してもよい。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、 電力システムは、衝撃、振動、スティックスリップ及び温度のリアルタイムモニタリング及び通信を設けてもよい。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、 上記電力システムは、システム健全性のモニタリング、記録、及び通信を行う。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、 上記電力システムは、充電モニタリングのバッテリー状態のモニタリング及び通信をリアルタイム又はオフラインで行う。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、 上記電力システムは、表面デコードシステム(surface decoding system)をさらに備えてもよい。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、 上記電力システムは、モータパルサーを駆動する電力を提供する。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、 ハイレベルレートセルが必要だった場合には、格安料金セルが使用されることを可能にすることによる電力システム増加安全性である。 本発明の電力システムの所定の実施形態において、 電力システムは、坑井内で使用される、より少ないリチウムを有する増大した信頼性を設けてもよい。 基づいたソレノイド又はモータベースの泥パルサーはMWD及びLWDのツールストリングでは使用されることを特徴とする所定の実施形態において、本発明の電力システムは、泥パルサーの信頼性を改善し、及び/又はパルスの信号純度を改善してもよい。 もう一つの実施形態において、本発明は、本発明の任意の電力システムに電気的に接続された電源、及び坑井内環境中の動作に適合した負荷を提供する。 a.高効率用途のためのシステム i.効率最適化 所定の実施形態において、MSIDは電力システムの効率最適化の余裕のあるように構成されてもよい。パワーエレクトロニクスの効率は、バッテリー、ワイヤーライン又は発電機のような電源によって配送されている負荷及び入力電力に配送された出力電力間の比として概して説明することができる。いくつかの実施形態において、EMS回路が2つの測定値の製品として入力電力を計算して、入力電圧及び入力電流を直接的に測定することができる。同様に、EMS回路は、2つの測定値の製品として出力電力を計算する出力電圧及び電流を測定することができる。 他の回路(例えばUCC)へのその通信を通じて、EMS回路が、充電電流及び充電時間のようなパラメータを命じることができる。これは、入力電流及び出力電圧の両方の制御をイネーブルにすることができる。充電電流の変動によってまた出力電圧を調整した、EMS回路は、充電電流及びキャパシタ電圧の全動作範囲にわたる電子回路電力効率を定量化することができる。 1つの実施形態において、MSIDはパワーエレクトロニクス効率を最適化する、例えば、EMSの使用、及びそれによって選択されたハイレベルの現在のレベル及びゼロの現在のレベルの間で充電電流が切り換えられるヒステリシスの電圧制御の使用を通じて。この理由は、多くの場合、パワーエレクトロニクスがそれらの電力能力範囲の上部の範囲に中央のものにおいて大部分の効率を動作させるということである。さらに、いつパワーエレクトロニクス充電電流を処理していない、それらは小電力引き状態に入れることができる。小電力状態は、各回路の静止した電力のみを引く。従ってEMS回路を介して電力システムを構成することで、のために断続的に、長い小電力が後続する短期間の高い現在のレベルにおいて充電ウルトラキャパシタは、状態「から」引く、非常に高い電子効率は達成することができる。 1つの実施形態において、充電電流の連続的な測定及び制御を介して、EMS回路が、パワーエレクトロニクスのふるまいを変化させることができるに、所定の実施形態中で、最高効率を達成する。このリアルタイム調整能力は温度、出力負荷、キャパシタ効率及びバッテリー効率において変化に調節するために重要である。 全体的な電子効率温度及び入力電圧のような変数に変動する多くの異なる要因における従属である。EMS回路は、電力を入力する出力電力の比の計算で効率を正確に測定することができる。しかしながら、どの動作基点が所定の環境で最も効率的なものか予測するのは難しい。従って、EMS回路は「丘登山」として既知の技術を使用する。丘に登る方法はシステムふるまいの充電電流及び観察への頻繁な動揺を作成することを含んでいる。各動揺、又は充電電流の変化の後、合計効率は計算される。充電電流において変化がより高い効率にもたらした場合、充電電流は同じ方向にさらに変更される。充電電流において変化がより少ない効率にもたらした場合、充電電流は反対方向で変更される。この方法で、丘に登る方法ターゲット動作基点どれにおいてパワーエレクトロニクス最大効率において、又はその効率の近くで動作する。 所定の実施形態において、MSIDは、さらに小電力動作モードをUCCに向けることで、効率のために最適化する。例えばいくつかの実施形態、雄としてのUCC機能及び両方押し上げ電力変換器中で。動作の雄押し上げモードにおいて、4つのトランジスタが充電電流を調整するために切り換えられている。一方、一方の雄又は押し上げ動作モードにおいて、2つのトランジスタのみが充電電流を調整するために切り換えられている。従って、雄押し上げモードは、概して一方の雄よりより劣った効率に動作する又はモードを押し上げる。雄(雄押し上げ)の間に遷移する、またモードを押し上げる充電電流及びキャパシタ電圧によって管理される。充電電流及びウルトラキャパシタ電圧の両方が他の回路(例えばEMS回路)によって測定されてもよいので、MSIDは、UCCが雄では動作することを保証し、かつ最も良好な効率にとって可能な間モードを押し上げるようにUCC充電電流及びウルトラキャパシタ電圧を制御することができる。 所定の実施形態において、様々な回路又は潜水艦回路は、電力を節約するために小電力スリープ状態を入力してもよい。いくつかの実施形態において、上記スリープ状態は、回路、又は回路のディジタル監視装置によってローカルに起動される。いくつかの実施形態において、上記スリープ状態は中心に起動される、例えば、EMS回路(それはモジュール式のバス上に通信し、ディジタル監視装置に、及びその監視装置からデータを送り、受信してもよい)によって。例えば、UMS回路は、連続的にしかしのみ断続的に動作させる必要がなくてもよい及び、キャパシタを平衡を保つ場合だけ、いくつかの実施形態中で必要である。UMS回路は、キャパシタストリングの実質的にバランスのとれた状態を測定するか報告し、次に、上述したものとして方法にスリープ状態を入力してもよい。同様の方式は、他の回路に概して同様に印加されてもよい。例えば、キャパシタストリングを充電する必要がない場合、ウルトラキャパシタ充電器はスリープ状態を入力してもよい。 ii.電力最適化 所定の実施形態において、MSIDは電力システムの電力最適化の余裕のあるように構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、EMS回路が、負荷要件の変更のために提供するためにリアルタイムで出力電力能力を調節することができる。ウルトラキャパシタは一範囲の電圧レベルを安全に格納することができる、例えば、別個数における従属またサイズを有するウルトラキャパシタの。高電圧レベルにおいて、ウルトラキャパシタの出力電力能力は増大される。すなわち、ウルトラキャパシタは、充電される前に長い期間の大電力出力レベルを保持することができる。より低い電圧レベルにおいて、ウルトラキャパシタは保持することができないパワーレベルのハイレベルだが全体的効率が延在するために増大されてもよいときバッテリー寿命。 iii.電圧最適化 所定の実施形態において、MSIDは負荷にもたらされた電圧を最適化するように構成されてもよい。例えばMSID、ユーザ、より低い電力を測定してもよい所定の範囲内の電圧において引き、延在することを上記範囲中で例えば動作することに決めるバッテリー寿命。例えば、MSIDは、50から100V、40〜50V、30〜40V、25〜30V、20〜25V、15〜20V、10〜15V、0〜10Vまでの範囲中の負荷電圧に動作させるべき電力システムを制御してもよい。 iv.バッテリー寿命最適化 所定の実施形態において、MSIDはバッテリー寿命最適化の余裕のあるように構成されてもよい。例えば、所定の状態の下では、バッテリーはより長い寿命を提供する与えられた1つの安定した現在断続的なハイレベルの現在の引きとは対照的に引く。他の状態の下では、バッテリーはより長い寿命を提供する与えられた1つの現在で、パルス化された引く、1つの現在引く高周波含有量(温和に変化する現在の引き)を有すること、上記などの組み合わせ。所定の実施形態中で、そういうものとして、これらヒューリスティックスはバッテリーを整形するために利用することができる現在バッテリー寿命のために最適化するために引く。別、これらヒューリスティックスは検出されたパラメータに基づいた動作時間において供給されているかもしれない、すなわち最適のバッテリーを決定する状態の決定を有すること現在引く。一例において、リチウム塩化チオニルバッテリー中で陰極を凍結上方へ減少させるために、バッテリー電流は高温において平滑化されるが、同じセルのde−不動態化を促進するために低温においてパルスを含む。特定の実施形態において、ヒステリシスの制御計画は0でない低いヒステリシスレベルに利用することができる。2つの0でない現状間の充電電流の変動によって、キャパシタ電圧制御は、バッテリー中の大きく高速なずれの悪影響を低減させることながら達成されてもよい現在バッテリー(例えばリチウム塩化チオニルバッテリー)の健全性に近づく。概して、1つのより滑らかな直接利回り現在と及び伝導損失間の2乗された関係に起因して直列抵抗態様を有する源からエネルギーのより効率的な抽出である。 例示として、リチウム塩化チオニルバッテリーパックは、本明細書に開示されるような電力システムを使用して、オン−オフの現在の方式に最初に引かれた。上記第1のテストでの上記バッテリーパックは、約256時間の寿命を達成した。直ちにテスト、等価物バッテリーパックは本明細書に開示されるような電力システムを使用して、平滑化された現在の方式に引かれた。上記第2のテストでの上記バッテリーパックは、約365時間の寿命を達成した。 所定の実施形態中で、バッテリー電流の態様の制御によるMSID、バッテリー寿命はそうかもしれない延在する。所定の実施形態において、電力システムは上記MSID及びHTRESを備える。 所定の実施形態において、バッテリー電流は一範囲の+/未満以内にあるように制御される−平均(例えば50%(例えば40%(例えば30%(例えば20%(例えば20%(例えば10%未満)未満)未満)未満)未満)未満)の51%。 所定の実施形態において、バッテリー電流は約1,000ミリセカンド未満(ミリ秒又はミリセカンド)及び約5つまでのAピークのパルスを含むように制御される、例えば約500ミリ秒未満及びまで2Aピーク(例えば約100ミリ秒未満、約1つまでのAピーク)約。所定の実施形態において、バッテリー電流は変化するように制御される1と比べ少しも高速でない/sec、例えば0.5A/秒と比べ少しも高速でない、例えば0.25と比べ少しも高速でない/sec、例えば0.1A/秒と比べ少しも高速でない、例えば0.01A/秒と比べ少しも高速でない 所定の実施形態において、バッテリー電流は滑らかになること、パルシング、又は整形のうちの1つを達成するように制御される。別の実施形態において、上記バッテリー電流は測定された周囲条件による制御される。 所定の実施形態中で、充電電流のヒステリシス範囲を狭くすることでEMS回路を介して電力システムを構成することによるMSID、バッテリー電流はスムーザー(延在するバッテリー寿命)になってもよい。概して、1つのより滑らかな直接利回り数学上源からエネルギーのより効率的な抽出、現在と及び伝導損失の2乗された関係に起因して。 もう一つの実施形態において、電力システムは、EMS回路を介して、線形フィードバック制御方式を使用して動作するように構成される。 ヒステリシス及びリニア制御実施形態において、バッテリー化学、キャパシタ化学及びパワーエレクトロニクスふるまいに関するヒューリスティックスは、さらにシステム性能を改善するために実装することができる。 所定の実施形態において、被害を受けたバッテリーは、その電力能力を低下させる高い実効直列抵抗(ESR)を示すだろう。そのため、クロスオーバー回路と通信することによって、充電回路情報のバッテリー状態は記録することができる。さらに、入力バッテリー電流及び入力蓄電池電圧の測定によって、バッテリーESRはEMS回路によって測定することができる。過度のESRを与えられて、EMS回路は、電力取り扱い能力を改善するためにバッテリーを切り換えるクロスオーバー回路が供給するように命じることができる。 本明細書に開示されたMSIDベースの装置、システム及び方法の所定の実施形態の一例は、有利な電力最適化及び効率特性を有することが図40に引用文献によって示されると開示した。図40Aは、本明細書に開示されたMSIDベースの装置、システム及び方法を組み込まない典型的な坑井内ツールの電圧及び電流(すなわち電力)ふるまいを描く図表である。図40Aでは描かれたシステムは、上に議論されたバッテリーのようなリチウム塩化チオニルバッテリーのバンクから成って、バッテリーパックに接続されて、上に議論されたツールのような例示的な坑井内ツールを含む。電圧401のショーを追跡するバッテリーパック(坑井内ツールがパルス中の電流を引く場合、それは約34Vの薬浴のベースラインから約26−28Vに変動する)の出力電圧。現在の跡402ショー坑井内ツール(それは約50mAのベースラインから約2.3Aのピーク電流パルスに変動する)によってバッテリーから取り出された電流。図40A(それはより短いバッテリー寿命にもたらして、多数の例示的な坑井内ツール、破損リチウム塩化チオニルバッテリーの典型的である)では示されるパルス電力ふるまいである。 対照的に、図40Bは、HTRESを含めて、本明細書に開示されるようなMSIDベースの電力システムを組み込む同様のシステムの電圧及び電流(すなわち電力)ふるまいを描く2つの図表(具体的には本明細書に開示された高温ウルトラキャパシタのバンク)をもたらす。図40Bでは描かれたシステムは、高温ウルトラキャパシタのバンクを含むMSIDベースの電力システムに接続されて、上に議論されたツールのような例示的な坑井内ツールを含む。本明細書に議論されたバッテリーのようなリチウム塩化チオニルバッテリーのバンクから成って、バッテリーパックにそれは接続されている。電圧403のショーを追跡するバッテリーパックの出力電圧、それは一貫して約28Vで、電圧を欠く浸る坑井内ツールによって引かれた電流に対応する同様に、現在の跡404は、バッテリーパックから取り出された一貫した出力電流を描く。それは約200mA.である。現在の跡406ショー坑井内ツール(それは約50mAのベースラインから約2.3Aのピーク電流パルスに変動する)によってMSIDベースの電力システムから取り出された電流。図40Aでは表されたバッテリーパックの出力電圧と異なり、電圧跡405として示されたMSIDベースの電力システムから出力電圧は、一貫して約26Vである。この例示は、本明細書に議論されるように、利用可能な坑井内バッテリー、発電機及び他の電源を利用する既存の坑井内電力システムの上に、多数の最適化及び効率利点を提供して、本明細書に開示されたMSIDベースの電力装置、システム及び方法の多数の実施形態の代表である。 v.HTRES寿命最適化 所定の実施形態において、MSIDはHTRES(例えばウルトラキャパシタ(電力システムへの寿命最適化))の余裕のあるように構成されてもよい。例えば、EMS回路はUMS回路にデータ及びコマンドを伝えることができてもよい。これは、最適化中に調整された出力電圧変化としてさえ所望の電圧レベルへの各セルを調整することには有益である。さらにモジュール式のバスを介してEMS回路へのUMS回路レポートセル健全性。もの又は多数のキャパシタが破損されるとUMS回路が報告する場合、EMS回路は別の損傷を緩和し、かつシステム健全性を延長する、制御計画を変更することができる。被害を受けたセルは減少した容量(セルが周囲のセルより速く充電し放電するようなもの)を示してもよい。被害を受けたセルはさらにハイレベル漏出電流を示してもよい。それは、セル意志が絶えず放電しており、より高い電圧を取得することを他のセルに強いているほどのものである。両方の場合において、より低い電圧にキャパシタストリングを充電することは有益である。そのため、電力システムの構成によって(例えばUMS回路と通信するためにEMS回路を構成することによって)、細胞傷害を絶縁し、より低いキャパシタ電圧にキャパシタ健全性を保存するを規制することは可能である。 ウルトラキャパシタの頻繁な釣り合いがシステム効率を低減させることはさらに注意されるべきである。セルの受動の釣り合いは抵抗素子を介して超過料金をわたすことで槽電圧を低減させる。さらに、アクティブ及び受動の釣り合いは、追加の電力を消費して、MOSFETSの頻繁なスイッチングを必要とする。従って、EMSの平衡を保つセルの必要を低減させることによって、回路は、電力消費量を削減し、かつシステム効率を改善するのを支援することができる。 1つの実施形態において、電力システムは表13に以下で提供された性能特性の1つ又は複数を示すように構成される。明瞭さについては、平板状の列挙は単独で便宜向けである。また、各特性は本発明の別個の実施形態と考えられるに違いない。
b.大電力用途のための装置及びシステム 上述した電力システム、利点が特徴だった上述した、供給するように構成されてもよい比較的大電力(例えば以前に利用可能な電力システムを使用して、実際に利用可能な坑井だったより多くの電力)のために。概して、源及び負荷の間で電力バランスを保持しなければならず、源が概して有能ではないかもしれないので、大電力はパルスか断続的な方法で設けられてもよい供給する比較的上記大電力。より具体的には例示によって、本発明の電力システムは時間の第1の長さの間HTRESに代金を請求し、時間の第2の長さの上記HTRESから負荷にエネルギーを方向付けることで、大電力を提供してもよい。比較的大電力のために本発明の電力システムを具体的には特徴づける態様は、高電圧及び低い抵抗を含む。概して、大電力がエネルギー伝達の高いレートに翻訳するので、本発明の電力システムはさらに比較的高いエネルギー容量HTRESから利益を得てもよい。例えば一次電池(例えばリチウム塩化チオニルバッテリー)、8を備える坑井内用途については、DDは、格安料金構成のセルをサイズを有する設けてもよい最高約10−50Wの電力のために。それに比べて、本明細書に開示されるようなHTRESを備える電力システムは設けてもよい約5,000W以内の電力のためである。 大電力のために供給することによって、本発明の電力システムは、等しくより大きなシステムでの共用される電圧の電圧安定化効果に備える。具体的には、大電力能力は低い抵抗出力及び低い抵抗によってイネーブルにされるイネーブルを出力する比較的大電力出力する比較的低い結果として生じる電圧降下に。例えば、本発明のHTRESは約28Vのストリングの電圧及び約100 mOhmsの抵抗に本明細書に開示されるような高温ウルトラキャパシタを備えてもよい。上記例示的な電力システムは、約20のためにわずかに2Vの電圧偏差を有する出力電流のAを設けてもよい。結果として生じる電力は、この例示においておよそ520Wである。上記電圧安定化効果は、さらに調整された電力変換器(例えば本明細書に開示されるような例示的な負荷変換器)の使用から利益を得てもよい。所定の実施形態において、HTRESは本明細書で説明した1つ又は複数ウルトラキャパシタを備える、例えばウルトラキャパシタストリング。そのようなウルトラキャパシタストリングは、所定の実施形態中で、円形の回路基板の外部の直径によって指示される内径に組み立てられたハウジング内にあてはめるように設計されている、及び、そこにおいては、ハウジングの外部の直径は、ツールストリングによって収容されるように設計されている。HTRESが本発明のウルトラキャパシタで構成されることを特徴とする実施形態中で、従って、また空間で組織化される効率的なウルトラキャパシタストリング向き、本明細書で説明するように、より大きな容量はより長いウルトラキャパシタストリングによって生成される。所定の実施形態において、ウルトラキャパシタストリングは12のキャパシタで構成される。 所定の実施形態において、本発明の電力システムは設けてもよい約5,000W以内の電力のために(例えば約1,000 5,000* Wの電力のために)、例えば、約500 1,000* Wの電力のために(例えば約250 500* Wの電力のために)、例えば、約100 250* Wの電力のために(例えば約51〜100Wの電力のために)。 従って、本発明のもう一つの電力システム実施形態は、坑井内に環境を備えることで約99Wに約1Wを供給する電源から電力のバッファに適合した電力システムを提供する:HTRES、例えば、空間で組織化されたウルトラキャパシタストリング効率的な向き本明細書で説明するように、また充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、コントローラ備える少なくとも1つのモジュール式の回路供給する断続的な高出力パルスのために構成された、例えば、約100W及び500Wの間で;上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される所定の実施形態において、HTRESは、約1−10,000Fの容量が特徴である。所定の実施形態において、コントローラは入力電圧より大きな電圧において出力を駆動するように構成される。高出力パルスによって供給された追加電力に、電池寿命の保持ながら負荷をより激しく駆動することは可能である。例えば、この構成は泥パルサーを駆動するために使用されてもよいより困難(例えば基づいたソレノイド又はモータベースの泥パルサー)電池寿命の保持ながら、及び信号の純度を損なうことなしで面への(例えばデータ転送速度の2倍まで)送信のためのより鋭い圧力パルス及び潜在的により高速なデータ転送速度に翻訳する例えば、泥パルステレメトリの使用。もう一つの実施形態において、この電力システムにおける負荷はEM送信機かもしれない。もう一つの実施形態において、この電力システムにおける負荷はモータドライブ(例えばセンサレスブラシレスDCモータドライブ)かもしれない。 所定の実施形態において、電源はバッテリーをLWDツールストリング。 所定の実施形態において、入力電力は約1Wから約20Wである。また、出力は、100W(約100W(例えば)から約500W)を超えてである。 所定の実施形態において、入力電力は約20Wから約50Wである。また、出力は、100W(約100W(例えば)から約500W)を超えてである。 所定の実施形態において、入力電力は約50Wから約99Wである。また、出力は、100W(約100W(例えば)から約500W)を超えてである。 所定の実施形態において、本発明の電力システムは供給する約500W以内で供給することによるより大きなシステムでの共用される電圧の電圧安定化効果のために、例えば約250W(例えば約100W以内)以内、約50%(例えば約40%未満)未満の共用される電圧の電圧偏差を保持している間、例えば約30%(例えば約20%未満)未満、例えば約10%未満である。 所定の実施形態において、本発明のシステムは、約40,000フィート(例えば約30,000フィート(例えば約20,000フィート(例えば約10,000フィート以内)以内)以内)以内の深さにおいてEMのために井戸中のテレメトリを提供する。 所定の実施形態において、本発明のシステムは、約100Hz(例えば約75Hz(例えば約50Hz(例えば約25Hz(例えば約15Hz以内)以内)以内)以内)以内の送信周波数においてEMのために井戸中のテレメトリを提供する。 所定の実施形態において、本発明のシステムは、約40,000フィート(例えば約30,000フィート(例えば約20,000フィート(例えば約10,000フィート以内)以内)以内)以内の深さにおいて井戸中の泥パルステレメトリに備える。 所定の実施形態において、本発明のシステムは、約40Hz(例えば約30Hz(例えば約20Hz(例えば約15Hz(例えば約10Hz以内)以内)以内)以内)以内の送信周波数において井戸中の泥パルステレメトリに備える。 1つの実施形態において、電力システムは表14に以下で提供された性能特性の1つ又は複数を示すように構成される。 明瞭さについては、平板状の列挙は単独で便宜向けである。また、各特性は本発明の別個の実施形態と考えられるに違いない。
1つの実施形態において、電力システムは上述の表14に提供された性能特性の1つ又は複数を示すように構成される。明瞭さについては、平板状の列挙は単独で便宜向けである。また、各特性は本発明の別個の実施形態と考えられるに違いない。 c.断続的な電源用途のための装置及びシステム 動作のための電力を必要とする坑井内環境中の用途において、そのような電力が断続的に中断される(例えば、そこにおいては、電力はタービンによって供給されるタービンを通って泥のフローに由来した電力を発生するMWD/LWDツールストリング及びそのような泥流に電力を供給したツールストリングへの調整を行うために止められる)場合、負荷に電力を供給するように構成された本発明の電力システムは負荷へのHTRESに格納されたエネルギーを方向付けることで、断続的な電源バッファリングするとして動作するように構成されてもよい。概して、電力(例えば5〜10分)なしに比較的長い期間がエネルギーバッファリングするの高い累積的なエネルギー必要量に翻訳するので、本発明の電力システムは、比較的高いエネルギーHTRES(例えばエネルギー貯蔵装置の約1〜5つのWhを有する1つ)によって支援されてもよい。そのようなシステムは負荷ドライバ回路の使用に支援されてもよい。 そのため、本発明のもう一つの電力システム実施形態は、バッファリングに適合した電力システムを提供する断続的な電源(例えば負荷を備えることにHTRESに格納されたエネルギーを方向付けることで、しばらくの期間の間電力を提供するのを止める電源)から電力:HTRES、例えば、空間で組織化されたウルトラキャパシタストリング効率的な向き本明細書で説明するように、オプションの負荷ドライバ回路、及び充電の少なくとも1つを制御し、エネルギー貯蔵装置を放電するためのコントローラ、システムはそこにおいてはの温度範囲中の動作に適合するか摂氏約210度に摂氏約75度の間に。 1つの実施形態において、本明細書に開示された装置及びシステムは、電力システムの構成要素として構成されたMSIDを備える。1つの例示において、MSIDはモジュール式をさらに。非限定的な例示は中継回線、少なくとも1つセンサ回線、ウルトラキャパシタ充電器回線、ウルトラキャパシタ管理システム回線、転換回線、充電回線の状態及び電子管理システム回線を含む。 上記MSIDは、ウルトラキャパシタ充電器回路、ウルトラキャパシタ管理システム回路、及び電子管理システム回路にされた接続回路のを備える、 いくつかの実施形態において、MSIDはモジュール式回路基板を備える。別の実施形態において、モジュール式の回路基板は円形である。別の実施形態において、モジュール式の回路基板はスタックされている。別の実施形態において、モジュール式の回路基板は円形であり、かつスタックされている。 ある態様では、製造することには、ハウジングのためのキャップ及びバッテリーの少なくとも一方を製造することが動力源含まれる発電機である。 所定の実施形態において、電源は2つの1バッテリーを備える。この実施形態中で、MSIDだろう別特に電源がバッテリー以上に備える場合、クロスオーバー回路を備える。1つの実施形態において、MSIDはモジュール式充電回路基板をさらに備える。 所定の実施形態において、電源はワイヤーライン及び少なくとも1つのバッテリー(例えばバックアップバッテリー)を備える。つの実施形態において、MSIDはモジュール式回路をさらに備える。所定の実施形態において、MSIDは状態を備える充電回路である。 所定の実施形態において、電源は発電機を備える。 所定の実施形態において、電源は発電機及び少なくとも1つのバッテリー(例えばバックアップバッテリー)を備える。つの実施形態において、MSIDはモジュール式回路をさらに備える。所定の実施形態において、MSIDは状態を備える充電回路。 所定の実施形態において、回路基板は多機能の回路基板を提供するために組み合わせられてもよい。 従って、もう一つの実施形態では、本発明は断続的な電源バッファリングするに方向付けられる電源で構成された供給する約1W〜約500W、例えば、坑井内タービン、HTRES、例えば、ウルトラキャパシタストリング、1−100個のウルトラキャパシタセルを備えてもよい、空間で組織化された効率的な向き本明細書で説明するように、オプションの負荷ドライバ回路、また充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、コントローラ備える少なくとも1つのモジュール式の回路供給する電力のために構成された;上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される所定の実施形態において、この電力システムは負荷に印加されてもよい電気的な出力を発生したと考えられてもよい。 所定の実施形態において、電力は、500時間(約500時間(例えば)から約1000時間(約1000時間(例えば)から(例えば負荷の生活のために)約1500時間))を超える時間に断続的に供給されてもよい。 所定の実施形態において、断続的な電源バッファリングするは一範囲の電圧出力を設けてもよい、例えば、負荷の要件に基づいて選択された。 d.EM遠隔測定用システム 騒々しいか、非常に損失のある構成を通して送信する場合、テレメトリの主要な挑戦はハイレベル信号対雑音比を保持している。減少した信号振幅及び従ってより小さな信号対雑音比にもたらして、それが伝搬するとき、高度に抵抗性構成のような損失のある構成は信号を減衰させる。超過外部ノイズは、受信された信号中のノイズを増大するテレメトリ信号に合計される。受信機において減少した信号対雑音比を補償するために、より遅いデータビット速さは、時々追加のパリティ又は冗長ビットに、多くの場合使用される。受信機は全体的なノイズ含有量(データ転送速度によるバンド限界のある下限)を低減させるためにバンド限定してもよい。したがって、より低いデータ転送速度は受信機の態様においてより低い全体的なノイズ含有量を可能にする。受信機において減少した信号対雑音比を補償する他の方法は、送信された信号の態様の大きさを増大することを含む。 大電力を供給するように構成された電力システムと協力する出力テレメトリ増幅器は、多くの異なるシナリオ中の多目的増幅器として利用されてもよい。1つの特定の実施形態において、この構成は抵抗性負荷上の送信側テレメトリ信号に使用されてもよい。もう一つの用途において、モータ又はリニアアクチュエータのような誘導負荷のために同じパワーアンプ構成を利用することができるかもしれない。 そのため、本発明のもう一つの電力システム実施形態は、負荷を備えることにHTRESに格納されたエネルギーを方向付けることで、大電力又は高電圧テレメトリのために供給することに適合した電力システムを提供する:HTRES、例えば、ウルトラキャパシタストリング、1−100個のウルトラキャパシタセルを備えてもよい、空間で組織化された効率的な向き本明細書で説明するように、オプションの負荷ドライバ回路、増幅器回路、また充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること、そこにおいてはシステムは温度範囲中の動作に適合する摂氏約75度から摂氏約210度の間で。いくつかの実施形態において、増幅器回路は技術において既知のDクラス回路である。 従って、もう一つの実施形態では、本発明はテレメトリ装置に方向付けられる電源で構成された、HTRES、例えば、ウルトラキャパシタストリング、1−100個のウルトラキャパシタセルを備えてもよい、空間で組織化された効率的な向き本明細書で説明するように、オプションの負荷ドライバ回路、増幅器回路、また充電の制御少なくとも1つのためのコントローラまたエネルギー貯蔵装置の放電すること上記システムは、摂氏約75度から摂氏約210度までの間の温度範囲で動作するように適合される本発明のコントローラの所定の実施形態では、所定の実施形態において、増幅器はDクラス増幅器である。 所定の実施形態において、Dクラス増幅器は、無線で面に情報を送信するように構成されたダイポールアンテナ又は少なくとも1つの電極に接続される。特に実施形態、EMテレメトリ信号、例えば、12Hzにおいて、信号と比較して、より大きな電力、電圧及び/又は電流が特徴かもしれない現在この目的のために使用される既知の線形増幅器に生成した。 所定の実施形態において、増幅器を備える電力システムは、アンテナ及び従来のEMモジュールの間のツールストリングに物理的に配置される。 所定の実施形態において、電力システムはテレメトリ信号を備える。 いくつかの例示で、コントローラ、及び別の例示において具体的には、EMS回路は上記受信されたテレメトリ信号を解釈するように構成される。 所定の実施形態において、全体的なツールストリング構成は、アンテナ、及びツールストリング(例えば従来のEM変調器、MWD又はLWDのツールストリング内の他のモジュール)の従来の態様の間の中断された接続によって簡単化されてもよい。中断された接続は、増幅器を備える電力システムを備えてもよい。例えば、この構成において、増幅器を備える電力システム及び電力システムへの入力信号が設けてもよいとき、従来のEMモジュールによってもたらされた信号は動作してもよいのために1つの増幅されたバージョン管理する負荷(例えばアンテナ)への上記入力信号の。さらに、電力システムがアンテナによって、遠隔地(例えば面)から信号を受信するように構成される場合、電力システムはこの構成中のアンテナから信号を直接的に受信してもよい。遠隔地から受信された信号が制御指令として意図される場合、別増幅器を備える電力システムの態様、電力システムは、方法において誘導の上記制御にツールストリングの他の態様が影響されないそのように応答することができる。 所定の実施形態において、増幅器回路は1つの組み合わせ回路の余裕のあるために電力を変換する負荷ドライバ回路と組み合わせてもよい。 テレメトリ信号(例えば電力、電圧、電流)の態様の増幅によって、利点の個数は実現されてもよい。例えば、さもないと固定する状態については、テレメトリ信号の増幅された態様は、受信された信号のより高い信号対雑音比をもたらしてもよい。より高いとすれば信号対雑音比、信号が最小検知できる信号に落ちるまで、トレードオフが作られてもよい。さらに、テレメトリ信号の減衰は、構成中の、周波数、及び構成に依存する他の複雑なパラメータを有する範囲又は深さにつれて増大してもよい。例えば、システムはより長い範囲送信をイネーブルにしてもよい、例えばより深い井戸からより頑健な送信、例えば、問題の構成を介して必要なとして、及び/又は、より高速な伝送レート、例えば、送信周波数の増大によって。より高いデータ転送レートは、掘削する最適化の余裕のあるために力学を掘削する、より高速な通信を含めて、より高速でより安全な掘削のための手段を結局提供する。 所定の実施形態において、大電力は、主として低いインピーダンス高電圧HTRESの使用及びパワーエレクトロニクスの効率的な動作を通じて達成される。 所定の実施形態において、増幅器を備える電力システムは、2つの根本的要因(1)によって高機能を達成してもよい比較的電源の大電力バッファリングのために供給する、大電力(低い抵抗)HTRESの包含、(2)線形増幅器の切り換えられたモードの増幅器への置換、約20%及び40%の全体的効率間に典型的には示す前者、典型的には約80%の間に示す後者、及び98%の全体的効率。 高度に抵抗性構成を考慮して、大電力送信を達成する1つ方法は大きな電圧振幅を有する信号を有する構成の駆動による。低い抵抗構成を考慮して、大電力送信は大きな電流の配送で達成されてもよい。したがって、所定の実施形態において、増幅器の出力は高電圧及び低いインピーダンスの両方である。所定の実施形態において、増幅器は調整可能な態様で動作する。例示的な態様は、電圧、電流、電力、周波数、位相などを。増幅器が調整可能な態様に備える所定の実施形態において、電力システムによって状態(例えば受信機において信号の純度)又は電力消費量を最適化するために、上記態様は、動作時間において調節されてもよい。所定の実施形態において、本発明のシステムは、約40,000フィート(例えば約30,000フィート(例えば約20,000フィート(例えば約10,000フィート以内)以内)以内)以内の深さにおいてEMのために井戸中のテレメトリを提供する。 所定の実施形態において、本発明のシステムは、約100Hz(例えば約75Hz(例えば約50Hz(例えば約25Hz(例えば約15Hz以内)以内)以内)以内)以内の送信周波数においてEMのために井戸中のテレメトリを提供する。 e.データ記録及び報告 1つの実施形態において、本明細書に開示されたMSIDは、データシステムの構成要素のように有用かもしれない、例えば、データロギング及び/又は報告のために(例えばMWD又はLWD、又は他の用途では)構成された。この実施形態において、データシステムは、1つ又は複数センサ回路基板、接続回路基板、EMS回路、少なくとも1つメモリ又はメモリ回路から選ばれたモジュール式の回路基板を備えてもよいMSID及びその任意の組み合わせも例えば備えてもよい。そこにおいては上記接続回路基板は外部コンピュータ/ネットワークと通信するのに適合してもよい。所定の実施形態中で、データシステムだろう別受信電力にウルトラキャパシタ充電器、HTRES及び電力インターフェースから選択された回路を備える。 MSIDモニタ坑井内状態またメモリにログインする及び/又はリアルタイムで通信するように構成することができるデータ(例えば警戒基準、坑井内衝撃、振動、スティックスリップ、温度又は他のそのような測定値のレベル)及びパラメータ。所定の利点は含む、しかし限定しないに、ツールストリング損傷及び失敗坑井のリスクを防ぐか緩和する能力、責任能力目的のためのログデータへの能力、修理及びメンテナンスのためのログデータへの能力又はサービス目的、掘削する力学に影響する能力、例えば、リアルタイムで、そのような掘削高めた効率に行われてもよい、低減させられた衝撃、浸透(ROP)の増大したレート、増大したビットの業績、非生産時間(NPT)コストの低下;流体苦情及び破砕の低下。例えば、ドリル用ビットが突き刺され、ビットが掘削し続け、回転し続ける場合、結果は例えば増大した衝撃かもしれないし、損傷に起因してビットの業績を低減させて、電子ツールストリング全体への潜在的な損傷と同様にNPTコストを増大した。 従って、MSIDは1つ又は複数をモニタリングしてもよい衝撃(振動)のような条件付ける、重みづけるビット(WOB)における、ビット(TOB)におけるトルク、圧力及び温度、また穴サイズ、例えば、バランスがとれていない掘削又はエアドリリングの影響に関連づけられたということかもしれない。ある場合には、所定の状態が増幅される平衡を保たれなかった又はエアドリリング、例えば衝撃及び振動は概してよりないそれらの場合に湿った。所定の実施形態中で、そのような坑井状態をモニタリングすること、ドリルがパラメータを掘削する有効性を増大し、かつ例えばツールストリング疲労、失敗のための時期尚早の旅行、つまったパイプ、苦情、坑井内バッテリー放出、失われた循環などのリスクを減らすことを可能にする。所定の実施形態中で、MSID、例えば、本明細書で説明したハウジングの内部で配置された、ツールストリング又はビットのカラーに位置する。所定の実施形態において、データロギングのために構成されたMSID及び/又は報告は、以下のものの1つ又は複数を設けてもよい:坑井内ツール、改善された方向のあるサービス及び/又は改善された置換経済学用ツールにおける着用の改善されたトラッキングの増大した信頼性である。 所定の実施形態において、MSIDは利用可能な6つの自由度(それらは3つの側面の自由度、×、y及びzからなる)及び回転をまわりに作るセンサ回路基板の一意的な構成の使用に基づいた測定値を提供するように構成される各これら軸、xr、yr及びzr。 所定の実施形態において、MSIDはRPMの測定値(例えばツールストリング又はビットの回転速度)がビット測定値における重みづける坑井及びビット測定値におけるトルクを提供するように構成される。 所定の実施形態において、MSIDは坑井内RPMの測定値(例えばツールストリング又はビットの回転速度)を提供するように構成される。 所定の実施形態において、MSIDはビット測定値における重量及びビット測定値におけるトルクを提供するように構成される。 所定の実施形態において、MSIDはビット測定値におけるトルクを提供するように構成される。 所定の実施形態において、電源はバッテリーを備える動力源である。 所定の実施形態において、電源は発電機を備える。 所定の実施形態において、電源はバッテリーを備える。 所定の実施形態において、電源は2つのバッテリーを備える。つの実施形態において、MSIDはモジュール式回路基板をさらに備える。1つの実施形態において、MSIDはモジュール式充電回路基板をさらに備える。 所定の実施形態において、電源はワイヤーライン電源及び少なくとも1つバッテリー(例えばバックアップバッテリー)を備える。つの実施形態において、MSIDはモジュール式回路基板をさらに備える。特に実施形態、別のMSIDは、接続回路基板に電気的に接続された充電回路基板の状態を備える。 所定の実施形態において、データロギングのために構成されたMSID及び/又は報告は、ハウジングに単独で配置される、i.e、HTRESなし本発明のコントローラの所定の実施形態である。 所定の実施形態において、データロギングのために構成されたMSID及び/又は報告は、HTRES(例えば本明細書で説明した1つ又は複数ウルトラキャパシタ)とともにハウジングに配置される。例えば、MSIDは、予備電力源としてウルトラキャパシタストリング(それは本明細書で説明するように、1−100個のウルトラキャパシタセルを備えてもよい)とともに(例えば使用のために)ハウジングに配置されてもよい。 所定の実施形態において、MSIDは、モジュール式の接続(例えば普遍的なコネクタピン構成)による外部部品に接続されている。 MSIDの一般的な合成には上述したものとして、MSIDは使用して、構成されてもよい、スタックされた回路基板(例えばスタックされた円形の回路基板)及びモジュール式のバス。ある実施形態では、このMSIDは、例えばポッティング技術であってもよい。 所定の実施形態において、モジュール式の基板は円形である、例えば、1.5インチ(例えば1.49インチ(例えば1.48インチ(例えば1.475インチ(例えば1.4インチ(例えば1.375インチ(例えば1.3インチ(例えば1.275インチ(例えば1.251インチ未満)未満)未満)未満)未満)未満)未満)未満)未満の直径である。 所定の実施形態において、既知の標準に比較して、MSID(例えば、ハウジングに配置された)は比較的小さいかもしれない、例えば、長さ12インチ未満例えば、長さ11インチ未満例えば、長さ10インチ未満例えば、長さ9インチ未満例えば、長さ8インチ未満例えば、長さ7インチ未満例えば、長さ6インチ未満例えば、長さ5インチ未満例えば、長さ4インチ未満その後、上記MSIDは、ドリルストリング又はツールのストリングに沿って様々な場所において容易に配置されてもよい。このように、複数のMSIDはそれらがドリルストリング又はツールストリングの長さに沿って変動するときに、例えば、坑井状態を示すために使用されてもよい。そのような空間の測定値は有用かもしれないのために、他のものの中に、置くこと、また面倒な励磁の源の作る区別、例えば、かどうかそれはドリルストリング又はツールの態様であるそれ自体を糸に通す又は構成又は他のものの態様よく構成要素、又は上記態様間の相互作用の態様、様々な励磁へのツールストリングの空間の応答を特徴づけること、スティックスリップのような別の識別する潜在的に危険な坑井内影響又は回転する、又はシステムの識別する弱い態様。各で、上記に複数MSIDから受信されたデータを組織化するために識別を割り当てられてもよいか取り組んでもよいデータバスにおける、及び各に上記識別と協力するその情報を送信してもよいか取り組んでもよい及び/又は上記識別又はアドレスに、又は上記識別又はアドレスを有するMSIDに所定の時間又は周波数を割り当てるスケジュールによる関する資料依頼書に応じる。 ある実施形態において、MSIDは、及び/又は無線の通信規格を備えてもよい。概して記録することは、メモリ中のデータ又は情報の格納を要する。特に実施形態、MSIDはそれをメモリと供給するように構成されてもよい後で例えばいったん質問されてもよいMSIDは面におけるある。代替として、報告は、面に坑井内環境から遠隔地へ例えば送信側データを要してもよい。上記報告は、リアルタイムの近くに、又は遅延に有効に中へ達成されてもよい。特徴の報告は記録する特徴をさらに有するシステムに存在してもよい。特徴の報告は記録する特徴を賞賛してもよい、例えば、システムが以前は記録された情報を報告するのになお坑井内である間、報告はローカルメモリを質問してもよい。 所定の実施形態において、データロギングのために構成されたMSID及び/又は報告は、ツールストリングデータバスに接続されてもよい。このように、MSIDは設けてもよい情報は、ツールストリングに既に又はさもないと組み込まれたテレメトリシステムによって起こる送信を使用して、面に例えば送信されるために例えば、ツールストリング超小型演算装置(MPU)モジュールは、MSIDから始まるデータバス信号を解釈してもよく、泥パルステレメトリシステムへそれらを入力した。その後、泥パルステレメトリシステム及び特に泥パルサーは、産業において既知の泥パルステレメトリによって表面のシステムにデータを送信してもよい。代替の実施形態において、MSIDから情報は電磁気の(EM)テレメトリ(さらに産業において既知)を利用してもよい。 所定の実施形態において、MSIDはツールストリングの任意の部分において(例えばリアルタイムにおいて)欠陥を検出するのに有用な回路を備えてもよい。特定の実施形態において、欠陥のこの検出の余裕のあるために、データロギングのために構成されたMSID及び/又は報告は、ツールストリングデータバスに接続されてもよい。 所定の実施形態において、MSIDは、「割り込みスタイル」のために面へのテレメトリ方式を設けてもよい。これらの例示において、情報は、ツールストリングテレメトリにてこ入れする方法によって面に例えば送信されてもよい、例えば、技術において、又は本明細書で説明するように、公知。割り込みスタイル通信方式は、面(例えば動作を掘削し続けるために必要とされるデータ伝送)への通常のデータ伝送を無視してもよい。この方法で、坑井内状態の警告それは取り組まれるべきである(危険な状態)、例えば止まる掘削する作業によって、掘削する作業を止めることをオペレータに強いてもよい、例えば、飢えていることによってそれら必要とされる情報又は電力の。オペレータへの訓練は、危険な状態をもたらす状況を改善し、次に、掘削し続けてもよい。このように、坑井内システムの全体的な信頼性は改善されてもよい。さらに、所定の実施形態において、推奨案からずれのレコードは記録されてもよい。 割り込みスタイル通信を有する所定の実施形態において、面に送信されたデータは警告情報、又は所定の状態、又は方法でさもないとパラメータ化されたか構成されたデータが設計者又はユーザによって有用であると考えたことをそれが示す生データを備えてもよい。例えば、連続的な振動のレベルは警戒基準にマッピングされるか、又は厳しさを1レベル示す信号を警告しているかもしれない。同様に、ビット(TOB)におけるトルク中の衝撃、温度又は異常のレベル又は重みづける危険かもしれないビット(WOB)又は他の坑井影響における警戒基準にマッピングされてもよいか、信号を警告しているかもしれない。危険かもしれない坑井内影響の例はスティックスリップを含む、回転する、又はドリルパイプを曲げること、あるいは他の技術に認識された坑井影響である。 さらに、割り込みスタイルテレメトリを有する所定の実施形態において、坑井内状態の組み合わせは増大した警戒基準(例えば比較的摂氏150度(例えば)を超える高温及び比較的高いレートの組み合わせ、衝撃(例えば次の(cps)50Gを超えて当たり100の計算)の大きさ)に集団的に寄与してもよい、一方の測定値より厳しい警戒基準を単独で示してもよい。上記測定値の時間統合はさらに増大する警戒基準を例えば示してもよい、合計100時間の連続的な振動の20のGrmsが例えばより厳しい警戒基準を示してもよい合計10時間の連続的な振動の20のGrmsそのため、上記警戒基準は時間にわたって拡大してもよい。1つの例示的な警告計画において、掘削する作業を停止させることのような推奨される行為を示すために厳しさの、又はより明示的にレベルを示すために、整数は、1及び4の間で、例えば送信されてもよい。警戒基準は、「赤い」、示すべき表面のシステムによって、直観的な目的のために例えば解釈されるか、又は「黄色かもしれないか」、「緑かもしれない」例えば「掘削を停止させる」ことが対応する警戒基準、「注意して進む。」又は、「通常進む」それぞれである。 データロギングでの使用及び/又はMWD又はLWDのために報告するために本明細書に例示されたが、データロギングのために構成されたMSID及び/又は報告は、重い製造時の機器、平面のエンジンコンパートメント、自動車、列車又はエネルギー生産工場/タービン中で任意の過酷な環境(例えば坑井内環境)では例えば使用されてもよい。ここで振動及び衝撃を測定する能力は有益である。 さらに、円形のハウジング実施形態を使用して本明細書で説明した間に、データロギングのために構成されたMSID及び/又は報告も、ツールストリング又はドリルストリングのカラーで使用するに十分な他の整形されたハウジングでは使用されてもよい。例えば、リングに整形された回路基板は、カラーをマウントされたツール中の環状キャビティに配置されてもよい、1つの従来整形された、例えば長方形、回路基板は、いくつかの例に、上記キャビティに軸方向に配置されてもよい。上記回路基板は、いくつかの例では、モジュール式のバス又はその構成要素を備えてもよい。上記回路基板は例えばスタックされているかもしれないリングに整形された回路基板は、環状キャビティにおいてスタックされているかもしれない。カラーに配置されたMSIDは、少なくともカラーの一部における歪みゲージにおける配置することで、決定TOB及びWOBには有用な測定値にアクセスするのに特に、例えば有用かもしれない測定値目的のために上記MSIDへのハウジング及び接続する上記少なくとも1つの歪みゲージをマウントした。 i.データ記録及び報告のためのセンサ回路基板 本発明のMSIDは坑井内ツールの坑井状態又は向きの測定のために1つ又は複数センサ回路基板を備える。回路基板は、以下構成要素のもののうちの1つ以上を備えてもよい:加速度計の少なくとも1つ、磁力計、ジャイロスコープ、温度センサ、圧力センサ、歪みゲージ、坑井内ツール(例えばツールストリング、ドリル用ビット)の坑井内状態又は向きを測定するのに有用である。 所定の実施形態において、MSIDは、軸に関するツールストリングの回転レートを決定することができる。 所定の実施形態において、MSIDは、いくつかの実施形態中の重力の影響を説明することができる。 所定の実施形態において、MSIDは、いくつかの実施形態中で、「回転」(それは側面の坑井内振動として技術認められる)の影響を説明することができる。 概して、RPMで測定されたねじれの加速及びドリルストリング回転レートの時間領域測定値の両方は、スティックスリップのような潜在的に危険な坑井内影響を示し回転してもよい。スティックスリップは、通常ドリルストリングの態様の回転レートの変化を示すパラメータであるツールストリング。スティックスリップはツールに破損してい、さらに非能率的な掘削を示してもよい。したがって、報告又は記録及び/又はスティックスリップの報告によって、MSIDは、ドリルを、掘削機器を保護し、掘削する効能を改善するとイネーブルにしてもよい。 例えば、スティックスリップ(すなわち、強化への反応ドリルストリングの長さに沿ったねじれのエネルギー)は、ツールストリング又はドリルストリングに接する構成要素を有する少なくとも1つの測定値軸を有する半径方向オフセット加速度計によって時間を変動し、多少周期的なねじれの加速によって測定されてもよい。代替として、スティックスリップは周期的に変化する回転レート中でRPMで例えば測定されて、時間変化する回転レートによって測定されてもよい。回転レートは、ツールストリング又はドリルストリングへの構成要素の半径方向を有する少なくとも1つの測定値軸を有する半径方向オフセット加速度計によって求心加速度を測定するように構成された加速度計で測定されてもよい。回転レートもねじれの加速の統合によって決定されてもよい。いくつかの例示において、穏やかなスティックスリップは、平均の回転レート約未満の回転レート中の変動によって示され、いくつかの例で適度なに明白なねじれの振動と名付けられてもよい。上記例示で、よりスティックスリップを切断する平均の回転レート約よりも大きな回転レート中の変動によって示され、いくつかの例で厳しいスティックスリップにとって重要な意義を持つように名付けられてもよい。いくつかの例示において、スティックスリップ及び他の影響の重要度レベルは、ねじれの加速の1レベルによって単に示されてもよい。所定の実施形態において、本明細書に、ねじれの加速は、接線加速度測定値及び/又は求心加速度測定値(ねじれの加速を決定することを時間デリバティブの影響に必要とする後者)によって決定されてもよい。 本発明の1つの実施形態において、MSIDは加速度計ベースの振動検出及び/又は衝撃検出を測定するのに十分なセンサ回路基板を含む。所定の実施形態において、MSIDセンサ回路基板は6つの自由度中に加速(例えば衝撃、振動)の検出のために構成される。所定の実施形態において、MSIDセンサ回路基板は、衝撃の(例えば約1,000G未満で約検知できる衝撃の範囲に)検出のために構成される。 ある実施形態において、アクセス管理は1加速度計を含んでもよい。所定の実施形態において、センサ回路基板は複数加速度計を備えてもよい。 所定の実施形態において、MSIDは、2つのセンサ回路基板の組み合わせを備える。そこにおいては1つのセンサ回路基板は1つの加速度計を備える。また、第2のセンサ回路基板は2つの加速度計を備える。特定の実施形態において、3つの加速度計が図38Bによれば構成されてもよい。センサ回路基板のこの構成は利用可能な6つの自由度(6−DOF)(それらは3つの翻訳の(軸か側面の)自由度(×、y及びz)からなる)及び3つの回転自由度(回転のまわりで各これら軸、xr、yr及びzr)を作る。翻訳の加速は単一3つの軸加速度計で測定することができる。3度の回転加速を測定するために、加速の2つの並列軸の間の差は得られてもよい。図38Bは、6−DOFの測定に適したサンプル向きを示す。 従って、所定の実施形態において、本発明のシステムは、6つの自由度加速測定値のために供給するセンサの構成を備える。 所定の実施形態において、MSIDは、回転を測定するように構成された少なくとも1つのセンサ回路基板を備える。FIG 38Bはそれを描く回転xrは、A1及びA3のyベクトルの差を介して見つかってもよい;回転yrは、A1及びA3の×ベクトルの差を介して見つかってもよい;また、回転zrは、A1及びA2の×加速度ベクトル間の差を介して見つかってもよい。さらに、中央のz軸のまわりのドリルストリングの回転速度は、直接的に求心加速度に関係がある。求心加速度は、構成要素に方向付けられた半径方向(例えば図38BでA3)を有する少なくとも1つの測定値軸を有するセンサによって測定されてもよい。 求心加速度によって決定回転速度に適したもう一つの例示構成は、図38Aでは示される。図38Aにおいて、放射状の加速測定値は、A1の放射状の構成要素に加えてA1及びA2の放射状の構成要素及びA3の間の差として得られてもよい。より少ない測定値不確実性を提供する間の4つの加速構成要素からz軸のまわりの角速度の直交する配置及び余分の放射状の測定値イネーブル分離である。 そういうものとして、1つの実施形態中で、本発明はMSIDを提供するデータロギングのために構成された及び/又は報告3つの軸向きで加速度計の構成を備えること、そこにおいてはこの3つの軸向きは、少なくとも第2のセンサ回路基板(例えば備える2つの加速度計)に電気的に接続された少なくとも1つの加速度計を有する第1のセンサ回路基板で構成される。そこにおいては第1のセンサ回路基板における加速度計と上記第2の基板における前記2つの加速度計のうちの1つは軸方向に整列する。 異なる加速(例えば回転速度を測定するために使用されるもの、振動を測定するために使用されるもの、及び衝撃を測定するために使用されるもの)を測定するために異なる加速度計を使用することは概して有利かもしれない。これらの3つの例示は、概して加速(例えば回転速度が約0から約5Gに範囲かもしれないと決定するために使用されてもよいのと同じくらい求心加速度)のそれらの典型的なわたるで用途の掘削点で異なる、振動かどうかそれ翻訳か回転である約0から約50G及び衝撃に範囲かもしれない、かどうかそれ翻訳か回転である約0から約1000(複数の)Gに範囲かもしれない。概して、加速測定単位(例えば加速度計)は、例えば範囲及び分解能の間のトレードオフをもたらす一範囲の1,000Gを有する加速度計は、約5Gの分解能を有してもよい。その一方で一範囲の5Gを有する加速度計は、約100 milliG(「mG」)の分解能を有していてもよい。典型的には、より高い範囲を必要とする測定値、さらに分解能における要件を緩和した。さらに、様々な加速度計は様々な周波数レスポンス態様(例えば帯域幅仕様書)が特徴である。例示、振動及び衝撃測定値が概して中から高い帯域幅を必要とするとき、及び中から高いg加速度計、及び特に測定値にショックを与える概して高帯域及びハイレベルのg加速度計を必要とする。一方、RPMの測定値は概して低いg加速度計を必要とし、高帯域を必要としない。低いg加速度計は放射状の加速の期待する範囲にわたるハイレベル分解能アナログディジタル変換を達成するために有用である。より大きな電力効率及び信号対雑音比は低い帯域幅加速度計に達成することができる。これらの測定値に有用な低いg、低い帯域幅及びハイレベル分解能加速度計は、ノーウッド(マサチューセッツ)、USA(例えば部品番号AD22293Z)のアナログ・デバイシーズから利用可能である。さらに、衝撃及び振動の両方のための範囲及び分解能の妥協をもたらす加速度計は、さらにアナログ・デバイシーズ(例えば部品番号ADXL377BCPZ−RL7)から利用可能である。発明の概要において、様々な性能態様を有する様々な加速度計は本明細書で説明した様々な量又は影響を測定するために使用されてもよい。ある場合には、少なくとも1つ加速度計が「2重の使用される」、すなわち、1つ以上に測定するために量又は効果である。 所定の実施形態において、MSIDは、少なくとも1つのミクロの電気機械のシステム(MEMS)センサを備えるセンサ回路基板を備える。例示センサは回転レートセンサ又はジャイロスコープ又は、ジャイロスコープを含む。他の例示センサは加速度計、慣性計測装置、慣性のセンサ、トルクセンサ、マイクロホン及び温度センサを含む。本開示のために、項MEMS回転レートセンサ、回転レートセンサ、MEMSジャイロスコープ、ジャイロスコープ、MEMSジャイロスコープ及びジャイロスコープは交換可能である。それらは、回転レートを測定するように設計されたMEMS装置を参照する。典型的な構成は、回転によって引き起こされた求心加速度効果を測定するような方法で配置され向けられた少なくとも1つMEMS加速度計を有するものを含む。いくつかの構成において、複数のMEMS加速度計は非回転加速測定値の拒絶、ノイズの拒絶及びオフセットの拒絶のような性能態様を改善するか又はドリフトするために使用される。 いくつかの実施形態において、MEMSジャイロスコープは坑井内ツール、ツールストリング、ドリルストリング、又は全ドリルストリングのセクションの回転レートを決定するために利用される。いくつかの実施形態において、MEMSジャイロスコープは別個のMEMS加速度計で作ることができる。いくつかの実施形態において、MEMSジャイロスコープは獲得することができる単一のモノリシックな一部として既製。 MEMSジャイロスコープは、求心加速度の測定のために構成された少なくとも1つのMEMS加速度計で作られてもよい。求心加速度は、回転軸から既知の放射状の移動を有する加速度計で半径方向に配置された加速測定値によって測定されてもよい。複数加速度計は非回転加速度効果を拒絶するために使用されてもよい。MEMSジャイロスコープは、関連付けられた計装及び信号処理を有する単一のパッケージへ上記加速度計を組み合わせることで作られてもよい。 MEMSジャイロスコープは、多数の方法で決定可能である。 一例は、少なくとも1つにおけるその正常軸が、回転が検出される軸に並列円形の回路基板を依存する。円形の回路基板は、その検出する軸がMSID又は関連するセンサ回路基板の軸に実質的に集中させられるように、ジャイロスコープをマウントするために使用されてもよい。円形の回路基板も上記ジャイロスコープへの電気的な接続の提供のために意図されてもよい。いくつかの実施形態において、ジャイロスコープは表面のマウントパッケージを有し、その検出する軸が円形の回路基板の中心に実質的に接近しているように、回路基板における占められてもよい。いくつかの実施形態において、ジャイロスコープは直通穴パッケージを有し、その検出する軸が円形の回路基板の中心に実質的に接近しているように、回路基板における占められてもよい。直通穴パッケージの場合には、検出する軸が、円形の回路基板の平面に並列。したがって、パッケージが変化させられなければならない。例えば、ジャイロスコープが円形の回路基板における水平に置くように、直通穴パッケージのピンは90度において曲がっているかもしれない。ピンを受理するためのviasはジャイロスコープ物体が円形の回路基板の中心に降りかかることを可能にするために相殺されてもよい。 石油及びガス掘削の用途については、高温と組み合わせた機械的な衝撃及び振動に対する耐性は典型的な要件である。従って、縄張り材料は、上記ジャイロスコープをサポートするか又は円形の回路基板に上記ジャイロスコープの物体を取り付けるために使用されてもよい。さらに、ポッティングする処理によって追加の封止は衝撃、振動及び温度の下の失敗への抵抗には有用である。さらに、封止は、非回転加速の拒絶を改善するためにジャイロスコープによって検出される直線加速度を低減させることにおいて有用である。他の実施形態において、ジャイロスコープは、軸方向に配置された回路基板(その平面がツールの軸に並列もの)に増大することで、MSIDに配置される。この場合、ジャイロスコープはもし必要ならばツール軸に関するその向きを変更するために「ドーターボード」によってマウントされてもよい。いくつかの実施形態において、軸方向に配置された回路基板にマウントされたとき、ジャイロスコープはツール軸に並列検出する軸に既に構成されてもよい。例えば、その検出軸が、それがマウントされる回路基板の平面にある一部は、軸方向にマウントされた回路基板にマウントされたときにツール軸に関する回転を検出するために容易に使用されてもよい。回路基板にマウントされたとき、ジャイロスコープの物体がツールの軸に実質的に集中するように、ツールの軸から軸方向にマウントされた回路基板を相殺することは概して有用である。概して、ドーターボードは求められるようなセンサの向きを変更するために使用されてもよい。一部の検出する軸は、任意のタイプのパッケージ(表面穴を通って、又はさもないと増大する)のために任意に定義されてもよいが、基板に典型的に垂直か、基板に並列どれにおける一部意志マウントされた。 所定の実施形態において、MSIDは、備えているセンサ回路基板を備える石油及びガス掘削及び掘削する(地熱の)ことのような用途を掘削する坑井では遭遇した高温環境に耐えることができるセンサを含む。所定の実施形態において、MSIDは、1つ又は複数を備えるセンサ回路基板を備える回転センサ(例えばMEMSジャイロスコープ)(それは広範囲の温度上の、及び特に約150以上°Cの(例えば約−40 °Cから約210 °Cに)温度において作業ができる)。 例示的な商業上のジャイロスコープ部分はアナログ装置インコーポレイテッド、1つの技術方法、ノーウッド、MA、02062 USA、及びさらにアナログ装置インコーポレイテッドから利用可能なADXRS645(穴を通って)から利用可能なADXRS646(表面のマウント)を含む。 ジャイロスコープによって提供された測定値の範囲及び分解能の間にトレードオフが概してある。石油及びガスの用途での回転レート検出用の典型的な有効範囲は、約250のRPMへの約0のRPMである。より高いわたるは、さらに1000 RPMまで例えば有用かもしれない。その間に、これらの用途での回転レート検出に対する典型的な有用な分解能は、約1つのRPMである。さらに、これらの用途において典型的かもしれないのと同じくらい広い温度差は誤った変動を引き起こすか、又はRPMの測定値のドリフトしてもよい。さらに、任意のセンサでのように、これらのセンサは広帯域のノイズに基づいた最小検知できる信号を有してもよい。概して、分解能はより高い範囲には、及び逆により低い。いくつかの例示において、ハイレベル解像度及び高い範囲の組み合わせを得るために2つのセンサを組み合わせることは有用である。例えば、より低い範囲センサはより低い測定された回転レートにおいてハイレベル解像度に有用かもしれない。総生産高が少なくとも2つのセンサのどちらかから出力を表すように、2つのセンサの測定された出力は「網にかけられてもよい。」 いくつかの実施形態において、絶縁性を使用して、フラグの回転を被覆してもよい。回転フラグは回転の検出がイベントを関連づけたという合図である。回転フラグは、回転がイベントを関連づけたとしても関連づけなかったとしても、坑井内ツールストリングのもう一つの態様に通信するのに有用かもしれない生じた、例えば、ドリルストリングは回転しているか。それとも、ドリルストリングは回転しているか予め決められた値より高速。回転フラグにもたらす回転に関連するイベントは、用途要件による変動する。所定の実施形態において、MEMSジャイロスコープを有するMSID DMSは、回転に関連する予め決められたイベントに基づいた回転フラグを提供する。 いくつかの実施形態において、絶縁性を使用して、ダウンリンクの部分を被覆してもよい。回転ダウンリンクは面からツールに通信するために使用されてもよい。ツールに伝えられた情報は含んでもよい例えば、前のメッセージを繰り返す表示他のテレメトリシステムによって送られた、ツールストリングの態様用の電力設定内容、又は他のモード又は運用上のセッティング。簡単な回転ダウンリンクは、それに先行し追従する非回転のピリオドで自転周期を備えてもよい。情報は、単にドリルストリングが回転しているという事実によって、回転のレート、又は回転の期間によって伝えられてもよい。より精巧な回転ダウンリンクは、予め決められた継続時間の間回転することで例えば経時的な変化する回転を備えてもよい、ドリルは、ツールに、及び予め決められた継続時間の異なるレートにおいて回転しないし、回転しないことで論理回路「1」を伝えてもよい、ドリルはツールに論理回路「0」を伝えてもよい。この方法を拡張して、ディジタル通信チャネルは有されてもよい。 様々なパラメータは、MSIDによって導出され、報告され及び/又は記録されて検出されてもよい。高温メモリは、パラメータを記録するのに概して有用である。高温FLASHメモリは、両方とも不揮発性(電力の喪失上のその含有量を保持する)及び高密度(比較的小さな封筒に比較的大量のメモリを含んでいる)である。例示的な高温メモリは、アナハイム(USA、カリフォルニア)においてオフィスを有するTT半導体から利用可能なTTZ2501部分である。坑井内構成では報告することは、さらにツールの他の態様、又は面へのリアルタイム状態を示すのに有用かもしれない。概して、データ転送速度が比較的低いように(約1〜50bps)、テレメトリチャネルはbandlimitedされる。従って、パラメータ化によって、例えば情報を圧縮することは重要である。例示として、DMSは、ツールストリングの他の態様、又はドリルへの振動レベルを示すために時間を横切った実際の加速値ではなく、予め決められた長さの時間ウィンドウに対応する振動の重要度レベルを報告してもよい。 明瞭さについては、ねじれの振動及びスティックスリップは状態を参照するどれにBHAのRPMRPMと異なるにおいて表面また周期的に間に変動する1つの最大値また最小値。いくつかの例示において、ねじれの振動及びスティックスリップ測定値がスティックスリップインデックス(SSI)に基づいたことが報告されてもよい。それは等式に基づいて計算される: SSI=[(最大RPM)×(最小RPM)]/[2×(平均RPM)] 所定の実施形態において、センサは磁力計を。上記磁力計は有用かもしれないのために測定によって回転のレートを決定するためにとりわけ地球の磁界に関する、及び/又は方向の決定中の補佐への帯磁方向、例えば、有用かもしれない方向のある測定値の提供によってのために他の事態傾斜掘り動作中である。 所定の実施形態において、MSIDは方向のある測定値に使用されてもよい。 重力が存在する状態で加速の測定値を方向のある測定値に変換する方法は、産業において周知である。いくつかの例において、磁力計はそれらの測定値を支援する。例示方法は供給する座標系態様によって方向のある測定値のために時々ピッチを呼び、ピッチにおけるのみ依存すると選ばれた回転行列を介して評価を回転するまた回転する一方第3の自由度、時々揺首を呼んだ、地球の磁界を検出するように構成された磁力計によって決定されるために残される。ピッチ、回転及び揺首は、特にアビオニクス、だがより最近娯楽及びその他同種のもののための加速度計を備える携帯型の装置のコンテキストの中に、産業において既知の項である。いくつかの例示において、磁力計はツールストリング又はドリルストリングにおいてどこか他のところに存在してもよい。また、上記磁力計へのアクセスは、ツールストリング又はドリルストリング信号によってMSID又はデータのバスで有されてもよい。それらの例示において、上記磁力計から読書はMSIDによって上述した目的に使用されてもよい。 所定の実施形態において、メモリに記録するためにディジタル信号への坑井内状態又は向きを示すアナログ測定値を例えば変換することはもう一つのディジタルシステム(例えばディジタルバスによってツールストリングディジタルシステム)及び/又はディジタルテレメトリシステムに信号を伝えるために有用かもしれない。 坑井内システムにおいて電力の不足に起因して、所定の実施形態において、電力消費量は最小限にされる。さまざまな技術は、この最小化を達成するために期待する信号についての知識に基づいて設計することを含み、これらに限定されずに利用されてもよい。例えば、いくつかの加速信号は典型的に広帯域で及び/又は連続的である、例えば「連続的な振動」、そこにおいては、加速の適切なサンプリングレートは信号を送る典型的に予期された最も高い周波数態様としてサンプリング周波数を二度以上あることで、情報の実質的量を例えばそこに取り込むために選択することができる。周波数を実質的により高く選択すること概して電力消費量を増大すると予想される、例えば実質的により有用な情報のために供給せずに、約1−5mWを超えて。もう一つの例示は温度を含んでいてもよい。それがゆっくり変化すると予想される。他の例示は衝撃を含む。それらの加速信号は典型的には速く変化し、断続的かもしれない(連続的なことに反対だったとき)。概して、衝撃の大きさ及びレートは重要である。 さらに、それらは、比較的継続時間(例えば各継続時間において約500ミリ秒未満)において短絡である。衝撃の重要な特徴の信頼できて正確な測定値は、衝撃(例えば100のサンプル)について複数のサンプルをもたらす見本郵送料率を必要とする。衝撃測定値のための一つのチャネルの見本郵送料率は約50又は100 kspsと同じくらい高いかもしれない。しかしながら、ある衝撃の断続に起因して1つの連続的に、比較的高いレート(例えば100 ksps)においてサンプリングされたサンプル値信号が電力消費量を増大すると概して予想される、例えば平均についての実質的により有用な情報のために供給せずに、約1−5mWを超えて。1つ選択肢解決方法は供給する予定であるアナログ検出器(それは比較的平均(例えば100未満のマイクロワット)(”μW」)における小電力を引いてもよい)のために。そのような回路の一例は供給するように構成されたコンパレータである1つの信号遷移する又はそれが予め決められた衝撃しきい値を超えた加速を検出する場合のロジックレベル信号、例えば、ロジックレベル信号の20−50のG.上記信号遷移がデジタルコントローラにおける入力に接続され、割り込みとして上記信号を扱うように、デジタルコントローラが構成されてもよくて前記かもしれない。このように、フル解決方法の電力消費量がフルディジタル解決方法未満で実質的にあると概して予想される間に、衝撃が存在する場合に限り、関連する加速信号のハイレベル解像度又は高速サンプリングは始まってもよい。 概して、MSIDは、坑井内状態の正確な表現を報告するべきである。その間に、それらの坑井状態は、MSID自体にMSIDが類似しているかもしれない*を破損していてもよい坑井内システムでの他の構成要素への構築、MSIDの情報が有用かもしれない同じ構成要素保護。従って、MSIDをモニタリングされた状態の正確な表現を提供すると同時にイネーブルにしている間、坑井内状態からMSIDを保護することは所定の実施形態では、望ましい。例えば、坑井内衝撃及び振動はMSIDを含むシステムに破損していてもよい。MSIDは、保護特徴(例えば比較的敏感な電子部品及びハウジングの間の湿った機械的なカップリング)の身体を使用してもよい。湿ることは、上記電子部品を囲むか、電子回路システムの比較的硬い面及びハウジングなどの一部、又はそれらの組み合わせの間で配置されたパッド又は挿入物を湿らせる、ポッティングする合成物のようなカプセルの材料によって設けられてもよい。概して、保護特徴は湿ることを含んでもよい、力学的エネルギー消費又は柔軟な接続するメカニズム。保護を有するMSIDを与えられて、所定の実施形態では上に列挙されたもののような重要な役割を演じる、坑井内状態の正確な表現は周囲条件間の予め決められた「マップ」用に供給することで回復することができ、状態を測定した。上記マップは測定されてもよい、例えば、周波数領域において伝達関数の形式で、伝達関数周囲の励磁信号への保護特徴の利得及びことによると位相寄与についての記述としてMSIDによって測定された。上記マップは決定されてもよい(較正された)表面及び次に、メモリに格納された上記マップは、さまざまな温度又は圧力においてさまざまな異なる営業状況のために例えば定量化されるか、又はさまざまな流体タイプに浸されてもよい。上記マップは、ローカルに又は遠隔に(例えば表面のシステムにアクセス可能なメモリでは)(例えばMSIDにおけるメモリでは)格納されてもよい。後者の場合において、MSIDは保護と無関係の十分に坑井内パラメータの送信には担当してもよい表面のシステムが坑井状態に測定された状態をマッピングしてもよいようなものを特色とする。 記録して、さらに、及び報告して、ある場合には、MSIDの(例えばセンサ回路基板における)回路のうちの1つでメモリを必要としてもよい。揮発性及び不揮発性メモリはこれらの目的のために使用されてもよい。揮発性メモリの場合には、設計者が、メモリ(より多くの情報が不揮発性メモリでは比較されて、比較可能な体積に格納されてもよい)のより高い密度を楽しむだろう。しかしながら、揮発性メモリはその格納されたデータを保持するために動力源に支持されなければならない。揮発性メモリ坑井を使用するための複数の解決方法は、バックアップ高温一次電池(例えばリチウム塩化チオニルセル)の利用を含み、これらに限定されずに可能である。そのようなバックアップセルは、システム(例えばコインセル)のハウジング内の明示的なセルかもしれない。又は、それはより大きなシステムで共用されてもよい。メモリをダウンロードすることができるまで、一次電池への接続が保持されてもよい限り、システムに利用可能な一次電池もこの目的のために使用されてもよい。いくつかの例において、上記一次電池は、バッテリー端子がシステムに利用可能な限り、電力坑井又は方向のあるシステムにさもないと使用された一次電池になりえる。いくつかの例において、バッテリー端子は、ドリル針又はツールによってシステムに利用可能であるストリングの電気的なバス。代替解決方法は、電源からシステムの分離の前に充電されるHTRESを使用する予定かもしれない。上記HTRESは、坑井内電源(例えば一次電池、発電機、ワイヤーライン接続)によって充電されてもよい。上記HTRESは、メモリをダウンロードすることができるまで揮発性メモリに電力を供給するのに十分な使用可能なエネルギーを設けることができた。例えばTTセミコンダクターから利用可能な高温16メガビットのSRAM部品番号TTS1MX16LVn3、アナハイム(カリフォルニア)のインコーポレイテッド、USAは、約2Vにおいて約6mAのデータ保持電流又は12mWの電力を必要とする。従って、約45人のジュールの蓄積エネルギーを有するHTRESは、1時間までのデータ保持用の上記揮発性メモリへの供給する電力ができるだろう。本明細書で説明したウルトラキャパシタを含むHTRESの例は、モジュラーシステムに関して下記に述べられる。しかしながら、上記HTRESは、約15−20ccの体積にFastCAPシステム(ボストン(USA、マサチューセッツ)のインコーポレイテッド)から利用可能な高温ウルトラキャパシタによって設けられてもよい。代替解決方法は、FastCAPシステム、インコーポレイテッドから利用可能な人々のようなHTRESを備える電力システムを有するMSIDを組み合わせるだろう。上記HTRESは坑井内電源によって充電され、メモリをダウンロードすることができるまでデータ保持電力のために坑井内電源用の次の分離を提供してもよい。 上述のSRAMは、約1インチのエッジ長さ、及び摂氏MSIDのような坑井内ツールではそれを使用に適しているようにする200度の温度定格を有する、52のピンパッケージに入っている。概してより低い密度においてとはいえ、不揮発性メモリも使用されてもよい。例えば、TT半導体から利用可能な1Mbit EEPROM部品番号TTE28HT010は使用されてもよい。上述のEEPROMは、1インチ、及び摂氏MSIDのような坑井内ツールではそれを使用に適しているようにする200度の温度定格の2分の1に関するエッジ長さを有するLCCパッケージに入っている。概して、失敗する前に、揮発性メモリは、さらに書き込みサイクル(人がメモリに書くことができる時の個数)の個数に対する制限を有してもよい。従って、設計者は、揮発性メモリでは例えばバッファメモリーへの方式を使用し、周期的に、不揮発性メモリにそのメモリを書き込んでもよい。 所定の実施形態において、所定のモニタリングデータがローカルにかつまたは遠隔に(例えば表面のシステムにアクセス可能なメモリでは)(例えばMSIDにおけるメモリでは)あってもよい。 ある実施形態では、この情報は、例えばMSIDアクセスレベルであってもよい。 効率的に坑井内メモリを利用する計画の任意の個数も使用されてもよい。所定の実施形態において、方式は、概して記録する代わりに、記録されるデータのパラメータ化を例えば使用する1つの分(1つの分ウィンドウ)の間隔において温度データのすべて温度データはハイレベル解像度中のその分間記録されてもよい、例えば毎秒(1sps)1つのサンプル一時的に、そしてその後平均及び標準偏差は計算した;その後、平均及び標準偏差は生の温度データの代わりに格納されてもよい。この例示において、及び定義のために、平均及び標準偏差は、データのパラメータを表すそれで、我々は上記をデータのパラメータ化の方法と考える。結果、この例示で、生の温度データ(60個(例えば)のデータ)の全体用より大きな量のメモリとは対照的に、非常に少量のメモリに(例えば2バイト又は数片のデータとして)ほとんどの意味のある情報が格納されるということである。 所定の実施形態において、集まり格納し、そして、データをパラメータ化する計画に、記録される信号に関する典型的なふるまいによって通知されてもよい。例えば、温度は、概して坑井内環境ではゆっくり変動し、ツールとして坑井を下って移動する。対照的に、振動は高周波含有量を有してもよい。しかしながら、周波数スペクトル中の平均電力は約1分の時間スケールより速く変動しなくてもよい。機械的な衝撃は、一方断続的な短期間である傾向があり、正確にその顕著な特徴を測定するために衝撃イベント中にハイレベル解像度を必要とする。衝撃及び振動伐採の例及び/又は報告する方式は、1 spmにおいてパラメータ化された各軸、衝撃計算、ピーク衝撃大きさ及び平均衝撃大きさのために平均及び標準偏差によって毎分(すなわち分又は「spm」当たり1つのサンプル)いったんパラメータ化されて記録する振動を含む;温度は平均10分(0.1 spm)、スティックスリップインデックス平均、標準偏差及びピークごとといったんなった、1 spmにおいて平均した、回転レート(RPMで測定された)は1 spmにおいて平均した。ユーザによってさえ測定された量の個数、及び設計者又はユーザ、所望のレコード長、及び利用可能なメモリ、伐採及び/又は方式が調節されてもよいと報告することの量へのそれらの相対的な重要性に例えば基づいた。様々な量の分解能は、より長いレコード長及び/又は他の量の測定値でのより多くの分解能のために貿易に離れて従ってもよい。 所定の実施形態において、センサ回路基板は、MSIDの外側の(例えば歪みゲージから)センサ、温度センサ又は環状圧力からデータを受信するように構成された回路基板を備えてもよい、例えば、MSIDを含んでいるハウジングとともにマウントされた。 従って、1つの実施形態において、センサ回路基板はツールストリングに接続された1つ又は複数歪みゲージから受信側のデータによってビット(TOB)におけるトルクを決定するように構成される。1つのカラーマウントされたバージョン管理する所定の実施形態では、システムの、ドリルストリングへのカップリングを簡単化してもよい。所定の実施形態において、指標が示すことができるように、その長軸がドリルストリングハウジングの周囲と整列しないように、歪みゲージはマウントされてもよい1つのドリルストリングハウジングの(例えばその抵抗において変化によって)「ねじれる」ことである。 もう一つの実施形態において、センサ回路基板はツールストリングに接続された1つ又は複数歪みゲージから受信側のデータによってビット(WOB)における重量を決定するように構成される。所定の実施形態において、その長軸がドリルストリングの長軸と実質的に整列するように、歪みゲージはマウントされてもよい。それは、指標がその抵抗において変化によってドリルストリングハウジングの圧縮を示しうるほどのものである。 もう一つの実施形態において、センサ回路基板は、温度センサによって温度を決定するように抵抗の変更によって温度を示す抵抗測温体(RTD)から受信側のデータによって構成される。 上述の(歪みゲージではのように、又はRTDの場合にのように、)可変抵抗において上記変化は、方法の任意の個数で測られてもよい。しかし、一例は歪みゲージ又はRTDに固定抵抗のために基準電圧及び理由に接続された組み合わせを設けることを含む。固定抵抗及び可変抵抗の間の接続においてノードは設けるだろう可変抵抗を示す電圧のために。例えば、歪みゲージ抵抗減少として、上記電圧は減少するだろう。いくつかの例示において、アナログディジタル変換によってデジタルコントローラへの上記電圧を読み出すことは次に有用である。 本発明の設計 審美的な外観に関して新規である任意の設計もまた、本発明の一部として含まれることが意図される。 参照による援用 本明細書において引用された全ての特許、公開された特許出願、及び他の文献の全内容は、本明細書において引用することにより全体として明示的に援用される。 等価物 当業者は、本明細書において開示された特定の手順に対する多数の等価物を認識し、又は、決まりきった実験にすぎないものを用いて確かめることができるであろう。そのような等価物は、本発明の範囲に含まれると考えられ、添付の特許請求の範囲によりカバーされる。さらに、本明細書において与えられた任意の数の範囲、もしくは、アルファベットの範囲は、これらの範囲の上限値及び下限値の両方を含むことが意図されている。さらに、任意の列挙したもの又はグループ化したものは、少なくとも1つの実施形態では、複数の独立した実施形態を列挙する簡略化した方法又便宜的な方法を表すことが意図され、リストの各要素は、それ自体では別個の実施形態と考えられるべきである。 本明細書の開示内容のサポートとして、ディジタルシステム及び/又はアナログシステムを含む様々な分析構成要素が使用されてもよい。1つ又は複数のシステムは、当該技術において認識される複数の方法のうちの任意のもので、本明細書に開示された装置及び方法の動作及び分析を行うために、プロセッサ、記憶媒体、メモリ、入力、出力、通信リンク(有線、無線、泥水上のパルス、光学、又はその他)、ユーザインターフェース、ソフトウェア及びファームウェアプログラム、信号プロセッサ(ディジタル又はアナログ)、及び他のそのような構成要素(抵抗器、キャパシタ、インダクタ、及びその他など)などの構成要素を有してもよい。これらの開示内容は、メモリ(ROM、RAM)、光学的(CD−ROM)、磁気(ディスク、ハードドライブ)、又は他のタイプを含むコンピュータ可読媒体上に格納された1組のコンピュータにより実行可能な命令であって、実行されたときに本発明の方法をコンピュータに実施させる命令とともに実装されてもよく、ただしそうでなくてもよいことが考慮される。これらの命令は、本開示で説明した機能に加えて、システムの設計者、所有者、ユーザ、又は他のそのような人員によって関連すると認められる機器の動作、制御、データ収集及び分析、及び他の機能を行ってもよい。 本明細書の開示内容は、単に、例示するものであり、本発明を限定するものではないことを認識すべきである。さらに、当業者は、本発明の範囲内に残りつつ、付加的な構成要素、構成、配置等を実現してもよいことを認識するであろう。例えば、層、電極、リード線、端子、接点、フィードスルー、キャップ等の構成は、本明細書で開示した実施形態から変更してもよい。概して、電極を使用する1つ又は複数のウルトラキャパシタの構成要素の設計及び/又は用途は、システムの設計者、製造者、オペレータ、及び/又はユーザのニーズと、任意の特定の状況において表される要件とによってのみ限定される。 さらに、様々な他の構成要素を、本明細書の開示内容の態様を提供するために含めてもよく、要求してもよい。例えば、本明細書で議論した様々な態様のサポートとして、又は本開示を越えた他の機能のサポートとして、追加の電源(例えば、発電機、ワイヤーライン、遠隔電源、及び化学バッテリーのうちの少なくとも1つ)、冷却構成要素、加熱構成要素、圧力保持構成要素、絶縁、アクチュエータ、センサ、電極、送信機、受信機、トランシーバ、アンテナ、コントローラ、電気装置、又は電気機械装置が含まれてもよい。 本発明は、例示的な実施形態に関して記載されているが、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を行ってもよく、その構成要素を等価物で置き換えてもよいことは理解されよう。さらに、その本質的な範囲を逸脱することなく、本発明の開示内容に対して特定の装置、状況、もしくは材料を採用するための多数の修正が認められるであろう。 そのため、本発明は、本発明の実施のために考えられたベストモードとして開示した特定の実施形態に限定されるわけではなく、本明細書に添付された特許請求の範囲により解釈されることが意図される。 |
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